在開花植物中谆扎，DNA甲基化在配子和合子中部分重編程，但其在植物配子發(fā)生過程中的時(shí)機(jī)和功能意義尚不清楚芹助。DNA甲基化在抑制轉(zhuǎn)座元件（TE）和相關(guān)序列中起著關(guān)鍵作用堂湖，對于基因表達(dá)調(diào)控至關(guān)重要闲先。
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)周道繡教授團(tuán)隊(duì)利用BS-seq和對應(yīng)的RNA-seq分析了水稻雄性減數(shù)分裂細(xì)胞无蜂、微孢子和精子中的DNA甲基化伺糠，并研究了一組染色質(zhì)調(diào)控因子在這一過程中的功能。研究結(jié)果揭示了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去甲基化酶在CHG甲基化重編程中的不同功能斥季，并表明CHG甲基化重編程對雄配子發(fā)生和受精具有功能性意義训桶。相關(guān)研究結(jié)果以“DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice”為題發(fā)表在《Genome Biology》期刊。
標(biāo)題：DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice（水稻雄性配子發(fā)生過程中的DNA甲基化重編程及其功能意義）
期刊：Genome Biology
影響因子：10.1
技術(shù)平臺：BS-seq酣倾、RNA-seq
本研究通過BS-seq分析揭示了水稻在雄性減數(shù)分裂之后開始DNA甲基化重編程舵揭，非CG甲基化（即CHG和CHH序列，H=A,G或T）灶挟，特別是CHG位點(diǎn)琉朽，首先在小孢子中增強(qiáng)，隨后在精子中減少稚铣。對水稻CHG甲基轉(zhuǎn)移酶基因CMT3a和CMT3b的功能分析表明箱叁，CMT3a在水稻減數(shù)分裂細(xì)胞中作為主要的CHG甲基轉(zhuǎn)移酶發(fā)揮作用，而CMT3b負(fù)責(zé)小孢子中CHG甲基化的增加惕医。兩種組蛋白去甲基化酶JMJ706和JMJ707的功能（去除H3K9me2）耕漱，可能有助于精子中CHG甲基化的減少。在雄配子發(fā)生過程中抬伺，CMT3a主要沉默轉(zhuǎn)座元件（TE）和TE相關(guān)基因螟够，而CMT3b是抑制參與轉(zhuǎn)錄和翻譯活動(dòng)的編碼因子基因所必需的。此外峡钓，CMT3b在卵細(xì)胞中抑制合子基因表達(dá)妓笙，并參與受精后建立合子表觀基因組。綜合這些結(jié)果表明能岩，在水稻的雄配子發(fā)生過程中寞宫，DNA甲基化動(dòng)態(tài)重編程，可以區(qū)分CMT3a和CMT3b在性細(xì)胞中的功能拉鹃，并強(qiáng)調(diào)了DNA甲基化重編程在水稻繁殖過程中的功能意義辈赋。
結(jié)果圖形
（1）非CG甲基化在水稻雄配子發(fā)生過程中動(dòng)態(tài)重編程
圖1：水稻中雄配子（減數(shù)分裂細(xì)胞、單細(xì)胞小孢子和精子）的DNA胞嘧啶甲基化水平膏燕。
a. 整體胞嘧啶甲基化水平小提琴圖
b. 甲基化差異的頻率分布密度圖密度圖钥屈。
c. 差異甲基化區(qū)域（DMRs）的數(shù)量
d. 減數(shù)分裂細(xì)胞（Me）、單細(xì)胞小孢子（UM）和精子（S）中mCG坝辫、mCHG和mCHH的基因組瀏覽器視圖篷就。
（2）CMT3a和CMT3b在雄配子發(fā)生過程中的作用
圖2：cmt3a和cmt3b突變對減數(shù)分裂細(xì)胞、小孢子和精子中DNA甲基化的作用阀溶。
a. RNA-seq分析水稻CMT3a和CMT3b在幼苗（Se）腻脏、根（Ro）鸦泳、減數(shù)分裂細(xì)胞（Me）、單細(xì)胞小孢子（UM）永品、精子（S）做鹰、卵細(xì)胞（E）、合子（Z）鼎姐、受精后1.5天的胚乳核（En）和受精后3天的球形胚胎（GE）中的轉(zhuǎn)錄水平（FPKM值）钾麸。
b. 野生型和cmt3a及cmt3b突變體的花粉粒經(jīng)I2-KI染色。
c. 小提琴圖比較野生型和cmt3a及cmt3b突變體減數(shù)分裂細(xì)胞（Me）炕桨、單細(xì)胞小孢子（UM）和精子（S）的整體胞嘧啶甲基化水平饭尝。
d. cmt3a和cmt3b相對于野生型的差異化甲基化區(qū)域（DMR）數(shù)量。
e. 維恩圖顯示cmt3a和cmt3b減數(shù)分裂細(xì)胞（左）和精子（右）相對于野生型細(xì)胞的低CHG DMR重疊情況献宫。
f. 箱線圖顯示野生型钥平、cmt3a（3a）和cmt3b（3b）細(xì)胞中減數(shù)分裂細(xì)胞（Me）與小孢子（UM）（上）和精子（S）相對于小孢子（UM）（下）的低CHG DMR的DNA甲基化水平。
g. 基因組瀏覽器截圖顯示姊途，與減數(shù)分裂細(xì)胞和精子相比涉瘾，微孢子中CHG甲基化位點(diǎn)的高甲基化在cmt3b突變體中減少（灰色突出顯示）。
（3）組蛋白去甲基化酶JMJ706和JMJ707降低CHG甲基化
圖3：jmj706/707突變對雄性性細(xì)胞DNA甲基化的影響捷兰。
a. 野生型和jmj706/707突變型減數(shù)分裂細(xì)胞（Me）和精子（S）中整體轉(zhuǎn)座元件（TE）甲基化水平的比較立叛。
b. jmj706/707突變型與野生型減數(shù)分裂細(xì)胞（上）和精子（下）（黑線）CHG甲基化差異密度圖。
c. 箱線圖顯示與小孢子（UM）和jmj706/707減數(shù)分裂細(xì)胞（j67-Me）及精子（j67-S）相比贡茅，野生型減數(shù)分裂細(xì)胞（Me）（上）和精子（S）（下）中50-bp低CHG甲基化區(qū)域的DNA甲基化水平秘蛇。
d. 基因組瀏覽器截圖顯示了與小孢子相比，減數(shù)分裂細(xì)胞（上）或精子（下）中CHG甲基化位點(diǎn)的低甲基化顶考，但在j67突變體中升高赁还。
（4）CMT3a和CMT3b在卵細(xì)胞和受精卵DNA甲基化中的作用
圖4：cmt3a和cmt3b突變對合子和/或卵細(xì)胞DNA甲基化的影響。
a. 野生型和cmt3a驹沿、cmt3b突變體精子(S)秽浇、卵細(xì)胞(E)和合子(Z)中整體TE甲基化水平比較。
b. 與野生型相比甚负，所指突變細(xì)胞中差異甲基化區(qū)域（DMR）的數(shù)量。
c. 維恩圖顯示與精子（Z-S）（上）或卵細(xì)胞（Z-E）（下）相比审残，合子中高CHG DMR的重疊梭域；以及與野生型合子相比，cmt3b合子中高CHG DMR（3bZ-Z）的重疊搅轿。
d. 箱線圖顯示所指細(xì)胞類型中Z-S（上）或Z-E（下）超CHG DMR的DNA甲基化水平病涨。
e. 所指細(xì)胞中5個(gè)代表性基因的CHG甲基化水平截圖。?
（5）水稻CMT3b在性細(xì)胞基因表達(dá)中的作用
圖5：cmt3b突變影響了減數(shù)分裂細(xì)胞和精子中非TE基因的表達(dá)璧坟。
a. 在cmt3b突變型減數(shù)分裂細(xì)胞和精子中既穆，與野生型相比差異表達(dá)的非TE基因（粉色）和TE相關(guān)基因（TEG）（紅色）的數(shù)量赎懦。
b. 在cmt3b突變型減數(shù)分裂細(xì)胞和精子中，與野生型細(xì)胞相比幻工，上調(diào)基因與低CHG甲基化基因（DMG）重疊的數(shù)量励两。
c. 基因組瀏覽器截圖顯示圖b中148（左）和122（右）個(gè)基因的甲基化和表達(dá)水平的代表性基因。
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（6）CMT3b抑制卵細(xì)胞中的合子基因
圖6：cmt3b突變對卵細(xì)胞中合子表達(dá)基因的影響囊颅。
a. 在野生型合子相對于卵細(xì)胞中当悔，差異表達(dá)基因的數(shù)量。
b. 在cmt3b突變型卵細(xì)胞和精子中踢代，與野生型細(xì)胞相比盲憎，低CHG甲基化基因（DMG）與上調(diào)基因的重疊數(shù)量。
c. 在三個(gè)品種中胳挎，合子表達(dá)基因的GO富集分析饼疙。
d. 在cmt3b突變型卵細(xì)胞（3b-E）和合子（3b-Z）中，與野生型卵細(xì)胞（E）和合子（Z）相比慕爬，416個(gè)合子表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄熱圖窑眯。
e. 在cmt3b突變型卵細(xì)胞中上調(diào)的幾個(gè)代表性合子基因的轉(zhuǎn)錄熱圖。
f. 在cmt3b突變型卵細(xì)胞中澡罚，83個(gè)上調(diào)基因的GO富集分析伸但，如在(d)中所示。
g. 六個(gè)代表性基因的基因組瀏覽器截圖留搔，描述了(d)中描述的基因的甲基化和表達(dá)水平更胖。
易小結(jié)：
本研究表明在雄性性細(xì)胞發(fā)生過程中，mCHG（CHG位點(diǎn)的DNA甲基化）水平首先在小孢子中增強(qiáng)隔显，隨后在精子中降低到最低水平却妨。CMT3a是體細(xì)胞和減數(shù)分裂細(xì)胞中主要的CHG甲基轉(zhuǎn)移酶，用于沉默TE和TE相關(guān)基因括眠，而CMT3b在小孢子中mCHG激增時(shí)起作用彪标，抑制與轉(zhuǎn)錄和翻譯相關(guān)基因，并參與受精后合子表觀基因組建立掷豺。組蛋白H3K9me2去甲基化酶JMJ706和JMJ707介導(dǎo)精子中mCHG降低捞烟。這項(xiàng)研究揭示在雄性性細(xì)胞發(fā)生過程中mCHG的動(dòng)態(tài)重編程，對花粉發(fā)育和受精具有重要的功能意義当船。
參考文獻(xiàn)：
LiX, Zhu B, Lu Y, Zhao F, Liu Q, Wang J, Ye M, Chen S, Nie J, Xiong L, Zhao Y, WuC, Zhou DX. DNA methylation remodeling and the functional implication duringmale gametogenesis in rice. Genome Biol. 2024 Apr 2;25(1):84. pii:10.1186/s13059-024-03222-w. doi: 10.1186/s13059-024-03222-w. PubMed PMID:38566207.
