DNA N6-腺嘌呤甲基化（6mA）是原核生物中一种广泛存在的 DNA 修饰，近年来在真核生物中也陆续被鉴定和发现，并成为表观遗传学领域的研究热点。在人、小鼠、线虫、拟南芥及单细胞的四膜虫、衣藻和早期分化的真菌中，调控 6mA 的甲基化酶或去甲基化酶已被系统鉴定和研究[1-7]，但有关 6mA 在真核生物中的功能和调控机理的探索才刚刚起步。
进化所高珊教授团队主要以单细胞真核模式生物四膜虫为研究材料，解析了 6mA 的分布模式、甲基转移酶及其在细胞生长发育中的功能和调控通路。相关研究分别于 2017、2019 年两次发表在国际著名学术期刊Nucleic Acids Research上。然而，6mA 在 DNA 复制时期的遗传机制尚不可知，影响了对其调控机制和生物学意义的解读。
为了进一步研究真核生物 6mA 是否可以进行稳定的遗传，该团队与南加州大学刘一凡副教授合作，首次从单分子的层面证实了真核生物 6mA 的遗传方式（半保留遗传），并发现了课题组之前报道的 6mA 甲基化酶 AMT1 是参与此过程的维持性甲基化酶。研究成果以“Semiconservative transmission of DNA N6-adenine methylation in a unicellular eukaryote”为题，发表在著名学术期刊 Genome Research 上。
该工作利用单分子实时环状一致测序技术（SMRT CCS）（图1A），鉴别出了基因组中不同甲基化状态的 6mA 位点（全甲基化Full、半甲基化Hemi、未甲基化Un）（图1B）。研究发现，野生型细胞中 6mA 主要以全甲基化状态分布在互补的 ApT双核苷酸序列上（图1B），半甲基化 6mA 位点在同步化细胞的 DNA 复制期（S期）明显增多。进一步通过 BrdU 对 S 期新合成的子链进行标记，发现半甲基化 6mA 与 BrdU 呈明显的互斥性分布，表明 6mA 存在于复制后的亲本链上（图1C-D）。上述结果表明 6mA 以经典的半保留方式进行遗传。
研究还发现，在 6mA 甲基化酶 AMT1 敲除株系中，全甲基化几乎消失而半甲基化 6mA 的比例则大幅度升高，表明AMT1 对半甲基化到全甲基化的转变至关重要（图1B）。体外酶活实验同时表明，AMT1 复合物主要靶向 ApT 二核苷酸序列，且偏好性地将半甲基化催化为全甲基化，进一步支持了 AMT1 是 6mA 的维持性甲基化酶（图1E-F）。
图1. 6mA以半保留的方式进行遗传。（A）SMRT-CCS测序原理示意图。（B）AMT1 敲除后全甲基化（Full）位点消失。（C）半甲基化的 6mA（Hemi-6mA）位点与 BrdU 标记的新生链互补分布，表明 Hemi-6mA 分布在母本链上。（D）半甲基化的6mA（Hemi-6mA）位点与BrdU标记的新生链互补分布代表性位点示意图。（E）AMT1 倾向于将位点催化成全甲基化状态。（F）体外酶活实验显示 AMT1 对半甲基化底物有明显的偏好性。（G）6mA 半保留遗传的模式图。
该工作揭示了真核生物 6mA 以半保留方式进行遗传的机制（图1G），并发现了该课题组之前报道的 6mA 甲基化酶 AMT1 是参与此过程的维持性甲基化酶。这项研究不仅解析了依赖于 AMT1 的维持甲基化和独立于 AMT1 的从头甲基化过程，还揭示了一条与5-甲基胞嘧啶（5mC）在 CpG 二核苷酸上传递相似的 6mA 传递路径。对 6mA 遗传机制的解析和 6mA 甲基化酶在该过程中的调控机制的研究，为确认真核生物 6mA 是一种真正的表观遗传标记提供了关键证据（图2）。
图2.真核生物两种 DNA 甲基化（6mA vs. 5mC）调控通路比较。
该研究由南加州大学刘一凡课题组与进化所高珊课题组共同完成。高珊课题组博士毕业生盛亚岚和副教授王媛媛、刘一凡课题组博士后杨文涛为该文章的共同第一作者。高珊教授和南加州大学的刘一凡副教授为文章的通讯作者。加州大学河滨分校宋吉奎教授和博士后陆久维，南加州大学窦亚丽教授、李春教授和博士后王雪晴，高珊课题组博士毕业生潘博、博士生南北、博士后刘永强和博士生叶飞对本文亦有重要贡献。
团队合影（左5为高珊教授，左7为刘一凡副教授）
原文链接：
http://www.genome.org/cgi/doi/10.1101/gr.277843.123
参考文献
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