植物中DNA甲基化的動(dòng)態(tài)和功能

張慧明1蚕断，2*眨攘，蘭兆波1主慰，2和朱建康1嚣州，2，3*

摘要|DNA甲基化是一種保守的表觀遺傳修飾共螺，對基因調(diào)控和基因組穩(wěn)定性具有重要意義该肴。DNA甲基化的異常模式可導(dǎo)致植物發(fā)育異常。特定的DNA甲基化狀態(tài)是通過從頭甲基化藐不、甲基化的維持和主動(dòng)去甲基化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的結(jié)果匀哄，其由不同調(diào)節(jié)途徑靶向的各種酶催化。在這篇綜述中雏蛮，我們討論了植物中的DNA甲基化涎嚼，包括甲基化和去甲基化酶和調(diào)節(jié)因子，以及通過所謂的Methylstat機(jī)制協(xié)調(diào)甲基化和去甲基化活性;DNA甲基化在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)座子沉默挑秉、基因表達(dá)和染色體相互作用中的作用;DNA甲基化在植物發(fā)育中的作用以及DNA甲基化參與植物對生物和非生物脅迫條件的反應(yīng)法梯。

? 胞嘧啶5’位的DNA甲基化有助于核基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控和基因組穩(wěn)定性1，2犀概。表觀遺傳變化立哑，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和組蛋白變異以及一些非編碼RNA（ncRNA）變化姻灶，影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)刁憋，進(jìn)而影響遺傳信息的可及性。因此木蹬，DNA甲基化對于許多生物過程是重要的至耻，并且DNA甲基化的破壞可導(dǎo)致植物和哺乳動(dòng)物的發(fā)育異常，例如番茄果實(shí)成熟失敗和小鼠胚胎死亡1镊叁，3尘颓，4。

? DNA甲基化在植物和哺乳動(dòng)物中是保守的晦譬，基因組DNA甲基化的精確模式對發(fā)育至關(guān)重要疤苹。在植物和哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化是由保守的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化的敛腌，使用S-腺苷-L-甲硫氨酸作為甲基供體卧土，而活性DNA去甲基化涉及堿基切除修復(fù)途徑5–9。RNA指導(dǎo)的DNA甲基化途徑對于植物中的從頭甲基化至關(guān)重要像樊，但在哺乳動(dòng)物中不太重要10尤莺，11。 與通過5-甲基胞嘧啶（5-mC）的氧化和/或脫氨基作用啟動(dòng)活性DNA去甲基化的哺乳動(dòng)物相反生棍，植物利用5-mC DNA糖基化酶直接切除5-mC堿基5颤霎，6，8。

? 在這篇綜述中友酱，我們討論了植物中DNA甲基化調(diào)控和功能的最新發(fā)現(xiàn)和當(dāng)前的理解晴音。在模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，特定DNA甲基化模式產(chǎn)生的潛在機(jī)制得到了最好的理解缔杉，其中DNA甲基化和去甲基化機(jī)制和調(diào)節(jié)因子的組分中的突變通常不是致命的锤躁。然而，在具有更復(fù)雜基因組的植物中或详，DNA甲基化似乎對發(fā)育和環(huán)境脅迫反應(yīng)更為重要系羞。最近的發(fā)現(xiàn)揭示了植物DNA甲基化的重要調(diào)控機(jī)制，如ncRNA對從頭DNA甲基化的初始觸發(fā)鸭叙，新的蛋白質(zhì)復(fù)合物IDM（增加的DNA甲基化）對活性DNA去甲基化的靶向觉啊，以及甲基化傳感遺傳元件對DNA甲基化和去甲基化的平衡拣宏。我們還討論了DNA甲基化動(dòng)力學(xué)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)座子沉默沈贝、基因表達(dá)、染色體相互作用勋乾、植物發(fā)育宋下、植物對生物和非生物環(huán)境刺激的反應(yīng)以及果實(shí)成熟、根結(jié)瘤和其他發(fā)育過程中的重要作用辑莫。

? DNA甲基化動(dòng)力學(xué)

? 特定的DNA甲基化狀態(tài)反映了建立学歧、維持和活性去除活動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的結(jié)果。這些活性由各種酶催化各吨，這些酶通過不同的途徑靶向特定的基因組區(qū)域枝笨。植物DNA甲基化發(fā)生在所有胞嘧啶序列中：CG，CHG和CHH（H代表A揭蜒，T或C）12横浑，13。在擬南芥中屉更，全基因組DNA甲基化的特征是異染色質(zhì)中的高度甲基化徙融，其富含轉(zhuǎn)座元件（轉(zhuǎn)座子）和其他重復(fù)DNA序列12，14瑰谜。散在的轉(zhuǎn)座子相關(guān)的DNA甲基化也存在于常染色質(zhì)染色體臂中12欺冀。

? 通過RNA指導(dǎo)的DNA甲基化途徑建立DNA甲基化。

? 在植物中萨脑，從頭DNA甲基化是通過RNA指導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）途徑介導(dǎo)的隐轩，該途徑涉及小干擾RNA（siRNA）和支架RNA以及一系列蛋白質(zhì)（圖1).根據(jù)目前對擬南芥中經(jīng)典RdDM的理解7，11渤早，15龙助，16，24-核苷酸siRNA的產(chǎn)生是通過RNA聚合酶IV（pol IV）的轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)的，隨后是RNA依賴性RNA聚合酶2（RDRP2提鸟；也稱為Rdr2的）依賴于轉(zhuǎn)錄物的復(fù)制以產(chǎn)生雙鏈RNA（dsRNA）并通過Dicer樣蛋白3（Dcl3）依賴地將dsRNA切割成siRNA军援。siRNA被裝載到Argonaute（AGO）蛋白（主要是AGO4和AGO6）上，并與互補(bǔ)的支架RNA配對称勋，支架RNA是由Pol V產(chǎn)生的新生轉(zhuǎn)錄物胸哥。AGO4與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域重排甲基化酶2（DRM2）17相互作用，后者以不依賴于序列的方式催化從頭DNA甲基化赡鲜。該反應(yīng)可由RNA指導(dǎo)的DNA甲基化1（RDM1）輔助空厌，其與AGO4和DRM2結(jié)合并可結(jié)合單鏈甲基化DNA18（圖1).

? 除了siRNA和支架RNA之間的序列特異性配對之外，AGO4和含有AGO的蛋白DNA指導(dǎo)的pol V亞基1（也稱為NRPE1）和RDM3之間的蛋白相互作用對于RdDM也是重要的银酬。NRPE1是Pol V的最大亞基嘲更，RDM3是Pol V相關(guān)的推定轉(zhuǎn)錄延伸因子19，20揩瞪。pol V轉(zhuǎn)錄的ncRNA必須保留在染色質(zhì)上才能發(fā)揮支架RNA的功能赋朦；RRP6樣蛋白1（RRP6L1）是酵母和哺乳動(dòng)物核糖體RNA加工蛋白6（RRP6）的同源物，可在RNA滯留中發(fā)揮作用21李破。此外宠哄，siRNA–支架RNA配對可能通過參與從頭2（IDN2）–IDN2旁系同源物（IDP）復(fù)合物穩(wěn)定，該復(fù)合物結(jié)合RNA并與SWI/SNF染色質(zhì)重塑復(fù)合物相互作用嗤攻，該復(fù)合物含有SWI/SNF復(fù)合物亞基SWI3b毛嫉，并通過改變核小體定位參與pol V介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄沉默22–28。

? Pol IV和Pol V向RdDM靶位點(diǎn)的募集可以通過預(yù)先存在的染色質(zhì)修飾來促進(jìn)妇菱。Pol IV由Sawadee同源域同源物1（SHH1）募集承粤，其通過其Tudor結(jié)構(gòu)域29，30結(jié)合二甲基化組蛋白H3賴氨酸9（H3K9me2）闯团。SHH1還與含有SNF2結(jié)構(gòu)域的蛋白Classy1（CLSY1）相互作用辛臊，后者是一種與Pol IV相關(guān)的染色質(zhì)重塑蛋白，并且是Pol IV依賴性siRNA產(chǎn)生所必需的30偷俭，31（圖1).Pol V與染色質(zhì)的結(jié)合用于支架-RNA生產(chǎn)需要染色質(zhì)重塑DDR浪讳，其包括RNA指導(dǎo)的DNA甲基化缺陷的染色質(zhì)重塑蛋白1（DRD1），分生組織沉默中染色體蛋白缺陷的推定結(jié)構(gòu)維持3和RDM1（REFS18涌萤，32–35）（圖1).DDR復(fù)合物與雜色抑制因子3-9同系物蛋白2（SUVH2）和SUVH9發(fā)生物理相互作用淹遵，它們是雜色抑制因子（SU（變種））3-9組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶家族蛋白，但缺乏組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性36负溪，37 UNK7FIg透揣。 1).SUVH2和SUVH9通過它們的SET和環(huán)指相關(guān)（SRA）結(jié)構(gòu)域識(shí)別甲基化胞嘧啶，并且是Pol V的適當(dāng)全基因組染色質(zhì)占據(jù)所必需的川抡，因此被提議通過預(yù)先存在的DNA甲基化來募集Pol V 37辐真。然而须尚，通過鋅指將SUVH9連接到未甲基化的DNA上足以募集pol V并建立DNA甲基化和基因沉默37。

? 考慮到Pol V可以從同一基因座產(chǎn)生具有不同5′端的ncRNA侍咱，它似乎獨(dú)立于啟動(dòng)子38啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄耐床。全基因組Pol V或Pol IV染色質(zhì)占位圖譜未顯示共有啟動(dòng)子基序29，39楔脯。一些pol V轉(zhuǎn)錄的ncRNA在5端38具有7-甲基鳥苷帽撩轰，這表明pol V產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄物可以進(jìn)行某些RNA加工活動(dòng)，已知這些活動(dòng)可以修飾pol II轉(zhuǎn)錄的mRNA昧廷。然而堪嫂，pol V產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄物在其3端缺乏多聚腺苷酸化，因此與mRNAs38不同木柬。 與pol V轉(zhuǎn)錄物不同皆串，pol V轉(zhuǎn)錄物的長度足以通過常規(guī)PCR38檢測，而pol IV轉(zhuǎn)錄的ncRNA（P4 RNA）的長度大多為26–50個(gè)核苷酸眉枕，因此最近才通過小RNA深度測序在具有突變體DCL2恶复、DCL3和DCL4的擬南芥（DCL三突變體）和具有突變體DCL1、DCL2齐遵、DCl3和DCL4的擬南芥（DCL四突變體）中鑒定到40–44寂玲。其中Pol IV-依賴性和Rdr2-依賴性dsRNAs切割成24-核苷酸siRNAs可能被阻斷塔插。P4 RNA在DCL三重突變體中積累梗摇，并且可以被外源DCL3加工成24個(gè)核苷酸的siRNA。因?yàn)镻4 RNA很小想许，每個(gè)24個(gè)核苷酸的siRNA可以從前體P4 RNA的一個(gè)切片中產(chǎn)生42伶授。

? 除了產(chǎn)生24個(gè)核苷酸siRNA的經(jīng)典Pol IV–RDR2–DCL3途徑外，這些蛋白質(zhì)的同源物也可以產(chǎn)生觸發(fā)非經(jīng)典RdDM的siRNA（圖1）流纹。Pol II介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄不僅可以產(chǎn)生24個(gè)核苷酸的siRNA和支架RNA糜烹，而且可以募集Pol IV和Pol V以促進(jìn)某些RdDM靶位點(diǎn)的siRNA產(chǎn)生45。 與Pol V46相比漱凝，Pol II還與不同的AGO蛋白具有空間上不同的關(guān)聯(lián)疮蹦。在反式作用siRNA基因和轉(zhuǎn)錄活性轉(zhuǎn)座子的某些區(qū)域，RdDM依賴于Pol II和RDR6茸炒，而不是Pol IV和RDR2（參考文獻(xiàn)47-49）愕乎。RDR6-依賴性RdDM可通過由DCL2和DCL4產(chǎn)生的21-核苷酸或22-核苷酸siRNA或通過由DCL3產(chǎn)生的24-核苷酸siRNA介導(dǎo)（參考文獻(xiàn)49，50）壁公。

? 在基因組范圍內(nèi)感论，擬南芥中的大多數(shù)siRNA是24個(gè)核苷酸的siRNA，其在DCL四重突變體中幾乎完全消失紊册；然而比肄，大約三分之二的RdDM靶區(qū)的DNA甲基化仍然存在43，44，表明存在DCL-非依賴性RdDM芳绩，其可能由一些DCL-非依賴性siRNA介導(dǎo)或直接由P4 RNA介導(dǎo)（圖1）掀亥。除DCL蛋白以外的RNase III酶可以切割dsRNAs 51，并且在野生型植物中妥色，它們可以與DCL一起將pol II铺浇、pol IV或pol V轉(zhuǎn)錄物加工成siRNA。

? 基因篩選已經(jīng)確定了一些pre-mRNA剪接因子垛膝，其突變在不同程度上降低了Pol IV依賴性siRNA的水平52–55鳍侣，盡管這些剪接因子如何影響siRNA水平在很大程度上仍不清楚。類似地吼拥，兩個(gè)剪接因子Stabilized 1和RDM16中的突變減少了pol V依賴性支架RNAs的積累53倚聚，54。據(jù)推測凿可，一些正常結(jié)合pre-mRNA的剪接因子可能與pol IV和pol V產(chǎn)生的非編碼轉(zhuǎn)錄物相互作用惑折，并影響它們的加工或穩(wěn)定性，從而影響siRNA或支架RNA的豐度枯跑。

? DNA甲基化的維持

? 植物DNA甲基化的維持依賴于胞嘧啶序列背景惨驶，并由不同機(jī)制調(diào)節(jié)的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化（圖2）。CG胞嘧啶甲基化由甲基轉(zhuǎn)移酶1（Met1）（維持敛助。）粗卜。Met1是哺乳動(dòng)物DNA（胞嘧啶-5）-甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）的直系同源物，其在DNA復(fù)制后識(shí)別半甲基化的CG二核苷酸纳击，并甲基化子鏈9续扔，56中未修飾的胞嘧啶。 與小鼠和人DNMT1相比焕数，擬南芥MET1缺少富含半胱氨酸的CXXC結(jié)構(gòu)域纱昧，該結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為有助于DNMT1區(qū)分半甲基化CG和非甲基化CG57，58堡赔。與DNMT1被E3泛素-蛋白連接酶UHRF1（參考文獻(xiàn)59识脆，60）募集的模型相似，Met1被提議通過甲基化蛋白的變體募集到DNA中善已，這些變體是維持CG甲基化所需的UHRF1直向同源物61灼捂，62。

? 擬南芥中CHG甲基化的維持由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶色甲基酶3（CMT3）催化雕拼，并且在更小的程度上由CMT2（REFS63纵东，64）（圖）。玉米CMT3同源物Chromomethylase 1（Met2A）的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)表明啥寇，其溴鄰位同源（BAH）和Chromo結(jié)構(gòu)域與H3K9me2（REF結(jié)合偎球。65).阻止CMT3–H3K9me2相互作用不僅破壞了CMT3與核小體的結(jié)合洒扎，而且導(dǎo)致CMT3活性的完全喪失65。擬南芥H3K9特異性甲基轉(zhuǎn)移酶SUVH4及其同源物SUVH5和SUVH6的突變消除了H3K9me2衰絮，并顯著降低了CHG甲基化66–71袍冷。甲基化的CHG與SUVH4的SRA結(jié)構(gòu)域結(jié)合，并募集其進(jìn)行H3K9甲基化72猫牡。因此胡诗，甲基化的CHG和H3K9me2修飾通過調(diào)節(jié)反饋環(huán)相互加強(qiáng)（圖2A）。

? 根據(jù)基因組區(qū)域淌友，CHH甲基化由DRM2或CMT2維持煌恢。通過RdDM，DRM2維持RdDM靶區(qū)的CHH甲基化震庭，這些靶區(qū)優(yōu)先位于進(jìn)化上年輕的轉(zhuǎn)座子和短轉(zhuǎn)座子以及常染色質(zhì)染色體臂中的其他重復(fù)序列瑰抵，以及位于長轉(zhuǎn)座子的邊緣，這些長轉(zhuǎn)座子通常位于異染色質(zhì)36器联、73二汛、74。相反拨拓，CMT2在含有組蛋白H1的異染色質(zhì)上催化CHH甲基化肴颊，其中RdDM被抑制。降低的DNA甲基化1（DDM1）中的突變損害了CMT2的甲基化渣磷，DDM1是一種染色質(zhì)重塑蛋白婿着，也是在對稱的胞嘧啶序列背景下維持DNA甲基化所必需的74瘤缩，75。不對稱甲基化的維持也可能受到Met1和CMT3的影響琉雳，因?yàn)镸et1依賴的甲基化可以被SUVH2和SUVH9識(shí)別过蹂，用于在一些RdDM位點(diǎn)37募集Pol V，并且因?yàn)镃MT3依賴的CHG甲基化增加了H3K9me2水平菱魔，這促進(jìn)了CMT2催化的非CG甲基化64。雖然CHH胞嘧啶只能被DRM2和CMT2甲基化，但這兩種酶在其他情況下也可以甲基化胞嘧啶挡篓。

? Active DNA去甲基化

? DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性的缺乏或DNA復(fù)制后甲基供體的缺乏導(dǎo)致無法維持甲基化，這被稱為被動(dòng)DNA去甲基化76-79帚称。DNA甲基化也可以通過酶的作用被消除官研，這被稱為活性DNA去甲基化。與由單一DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化的DNA甲基化反應(yīng)相反闯睹，活性DNA去甲基化需要一組酶戏羽，啟動(dòng)該過程的酶被稱為DNA去甲基化酶。在植物中楼吃，雙功能5-mC DNA糖基化酶-脫嘌呤/脫嘧啶裂合酶家族通過堿基切除修復(fù)途徑80-82啟動(dòng)活性DNA去甲基化（圖3A）始花。哺乳動(dòng)物中的活性DNA去甲基化也涉及DNA糖基化酶妄讯，因此涉及堿基切除修復(fù)。然而酷宵，植物DNA糖基化酶可以識(shí)別并直接去除5-mC堿基亥贸，而在哺乳動(dòng)物中，5-mC必須在DNA糖基化酶催化堿基去除之前被氧化8浇垦，83炕置。

? 擬南芥具有四個(gè)雙功能5-mC DNA糖基化酶家族，包括沉默阻遏物1（ROS1）男韧、轉(zhuǎn)錄激活因子Demeter（DME）朴摊、Demeter樣蛋白2（DML2）和DML3（REFS80，82）此虑，它們可以從所有胞嘧啶序列中切除5-mC 81仍劈，84–87。ROS1寡壮、DML2和DML3在所有營養(yǎng)組織中表達(dá)贩疙，而DME優(yōu)先在雌雄配子的伴胞中表達(dá)，即在雌配子體的中央細(xì)胞和雄配子體的營養(yǎng)細(xì)胞中表達(dá)86况既，88这溅。

? 在DNA去甲基化過程中，這些雙功能酶首先作為DNA糖基化酶水解堿基和脫氧核糖之間的糖基鍵棒仍，然后作為脫嘌呤或脫嘧啶裂合酶切割DNA骨架并產(chǎn)生脫堿基位點(diǎn)（圖3A）悲靴。切除5-mC堿基后發(fā)生β-消除或β，δ-消除反應(yīng)莫其，分別產(chǎn)生以3-磷酸-α癞尚，β-不飽和醛或3-磷酸終止的缺口。 隨后乱陡，脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶DNA-（脫嘌呤或脫嘧啶位點(diǎn)）裂合酶（APE1L）和DNA磷酸酶多核苷酸3′-磷酸酶ZDP分別在β-消除和β浇揩，δ-消除反應(yīng)的下游發(fā)揮作用，以產(chǎn)生3 OH基團(tuán)憨颠，因此可以通過DNA聚合酶和連接酶89–91（填補(bǔ)缺口胳徽。3A）。A.擬南芥DNA連接酶1（Lig1）可能是活性DNA去甲基化途徑中的連接酶爽彤，如其與ROS1养盗、ZDP和APE1L的亞細(xì)胞共定位，以及觀察到Lig1對于胚乳中開花的母系印記基因Wageningen和MEA（Medea）的去甲基化和激活是必需的92适篙，93往核。

? ROS1在體外顯示在特定靶位點(diǎn)94隨機(jī)滑動(dòng)，但在全球范圍內(nèi)的細(xì)胞中嚷节，DNA去甲基化酶表現(xiàn)出靶特異性聂儒，這取決于不同的染色質(zhì)特征和募集蛋白蝶缀。DME的去甲基化有利于常染色質(zhì)區(qū)域中小的、富含AT的轉(zhuǎn)座子薄货，導(dǎo)致附近基因88翁都，95–97的表達(dá)改變。 ROS1也靶向轉(zhuǎn)座子谅猾，轉(zhuǎn)座子往往在基因98附近柄慰。這表明ROS1介導(dǎo)的去甲基化有助于建立轉(zhuǎn)座子和基因之間的邊界，并防止DNA甲基化的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄沉默98税娜。ROS1對于抵消由RdDM途徑建立的DNA甲基化特別重要坐搔，盡管它也使RdDM非依賴性區(qū)域18，19敬矩，80概行，98去甲基化（圖3B）。盡管RNA結(jié)合蛋白R(shí)OS3對于幾個(gè)ROS1依賴性基因組區(qū)域的去甲基化很重要99弧岳，但仍不清楚決定RdDM中靶特異性的小RNA是否也介導(dǎo)ROS1靶向某些基因座凳忙。ROS1靶向轉(zhuǎn)座子和其它基因組區(qū)域的特征在于乙酰化的H3K18和H3K27me3的富集以及H3K27me和H3K 9me2的缺失（參考文獻(xiàn)98）禽炬。在ROS1靶基因座的亞組中涧卵，通過增加的DNA甲基化1（IDM1）建立了允許主動(dòng)去甲基化的染色質(zhì)環(huán)境，IDM1是一種組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶腹尖，其結(jié)合甲基化DNA并在缺乏H3K4me2和H3K4me3（REF的染色質(zhì)位點(diǎn)乙趿郑化組蛋白H3。 100個(gè)）热幔，即尚未與活性轉(zhuǎn)錄相關(guān)的位點(diǎn)乐设。

? 將ROS1靶向某些基因組區(qū)域是由抗沉默蛋白復(fù)合物IDM介導(dǎo)的，該復(fù)合物由IDM1绎巨、IDM2近尚、IDM3、含有甲基-CpG結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白7（MBD7）认烁、Harbinger轉(zhuǎn)座子衍生蛋白1（HDP1）和HDP2（REFS100–103UNK6 UNK7Fig組成肿男。）。IDM2是一種含有α-晶體蛋白結(jié)構(gòu)域的蛋白却嗡，與IDM1相互作用，是植物101中IDM1依賴性H3K18乙踵诔校化所必需的窗价。MBD7優(yōu)先結(jié)合高度甲基化的CG密集區(qū)域，并與IDM2以及IDM2同源物IDM3發(fā)生物理相互作用叹卷，IDM3也與IDM1相互作用撼港，是防止基因阻遏和DNA高甲基化所必需的102坪它，104。盡管IDM復(fù)合物被提議確保IDM1靶向甲基化DNA基因座帝牡，但I(xiàn)DM1催化的組蛋白乙跬保化如何幫助募集ROS1用于活性DNA去甲基化仍未確定。

? DNA甲基化和去甲基化之間的協(xié)調(diào)靶溜。ROS1拮抗RdDM以防止特定基因座的DNA超甲基化开瞭，并且在所有已知的RdDM突變體17，72罩息，105–107中ROS1基因表達(dá)降低嗤详。 這些觀察揭示了DNA甲基化和主動(dòng)去甲基化活性是協(xié)調(diào)的。最近對擬南芥DNA甲基化組的研究表明瓷炮，ROS1活性在超過2葱色，000個(gè)基因組區(qū)域抵消RdDM。這些區(qū)域在ROS1-4突變體植物中是高度甲基化的娘香，但在雙突變體ROS1-4和NRPD1-3植物中不是苍狰，它們具有ROS1和Pol IV的最大亞基，DNA指導(dǎo)的Pol IV亞基1（NRPD1）98的缺陷功能烘绽。NRPD1-3突變體在許多基因組區(qū)域表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)退降腞OS1基因表達(dá)和DNA超甲基化舞痰。甲基組分析表明，NRPD1-3突變體中的基因組超甲基化至少部分是由于ROS1表達(dá)受到抑制诀姚。除RdDM突變體外响牛，Met1突變體也表現(xiàn)出抑制ROS1基因表達(dá)108。ROS1基因啟動(dòng)子含有39bp的序列赫段，其中甲基化在met1和RdDM突變體中降低呀打。因?yàn)樵撎囟ㄐ蛄兄械牡图谆殡S著ROS1基因的抑制，似乎該序列（稱為DNA甲基化監(jiān)測序列（MEMS）106）可以作為RdDM和Met1活性的一般指標(biāo)糯笙，因此可以通過ROS1（的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)來協(xié)調(diào)DNA甲基化和活性DNA去甲基化贬丛。 2b）。與該模型一致给涕，MEMS的DNA超甲基化發(fā)生在功能缺失的ROS1突變體中豺憔，表明MEMS也被ROS1靶向（參考文獻(xiàn)106）。ROS1突變體中MEMS的超甲基化伴隨著ROS1表達(dá)的增加106够庙。在MEMS的上游恭应，ROS1基因啟動(dòng)子含有一個(gè)Helitron轉(zhuǎn)座子，該轉(zhuǎn)座子可能有助于吸引DNA甲基化因子耘眨，并使啟動(dòng)子響應(yīng)DNA甲基化昼榛。通過DNA甲基化促進(jìn)ROS1轉(zhuǎn)錄的特異性轉(zhuǎn)錄因子尚未被鑒定。就像感應(yīng)并維持穩(wěn)定溫度的恒溫器一樣剔难，MEMS可以被認(rèn)為是維持植物細(xì)胞106胆屿、107中ROS1依賴性DNA甲基化水平穩(wěn)態(tài)的“ Methylstat ”序列奥喻。例如，在ROS1表達(dá)顯著降低的Met1-3植物中非迹，由于累積的RdDM环鲤，5 S核糖體DNA序列的CG低甲基化被連續(xù)世代中CHH甲基化水平的逐漸增加所補(bǔ)償，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄沉默的重建108憎兽。 相反冷离，將ROS1表達(dá)從RdDM的調(diào)節(jié)中分離出來會(huì)導(dǎo)致廣泛的甲基化缺失和異常表型，這些異常表型在幾代人中逐漸惡化109唇兑。在水稻酒朵、玉米和A.lyrata107，110扎附，111中也觀察到去甲基化酶基因表達(dá)的甲基化敏感性調(diào)節(jié)蔫耽。因此，這種甲基化狀態(tài)可能是調(diào)節(jié)植物DNA甲基化動(dòng)力學(xué)的一種保守機(jī)制留夜。Methylstat機(jī)制也可能存在于具有DNA甲基化的非植物生物體中匙铡，包括哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，它可以幫助解釋癌細(xì)胞和衰老人體中與基因座特異性超甲基化同時(shí)發(fā)生的全基因組低甲基化112碍粥，113鳖眼。

? DNA甲基化的分子功能

? DNA甲基化與組蛋白修飾和非組蛋白結(jié)合，定義了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和可及性嚼摩。因此钦讳，DNA甲基化有助于調(diào)節(jié)基因表達(dá)、轉(zhuǎn)座子沉默枕面、染色體相互作用（圖4）和性狀遺傳（補(bǔ)充框1）愿卒。

? 基因調(diào)控

? 植物中與基因相關(guān)的DNA甲基化可以發(fā)生在啟動(dòng)子或轉(zhuǎn)錄的基因體內(nèi)。啟動(dòng)子DNA甲基化通常抑制基因轉(zhuǎn)錄潮秘，盡管在某些情況下它促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄琼开，例如在擬南芥中的ROS1基因和在番茄3，8枕荞，12柜候，106，107中抑制果實(shí)成熟的數(shù)百個(gè)基因中躏精。啟動(dòng)子DNA甲基化通過抑制轉(zhuǎn)錄激活因子的結(jié)合或促進(jìn)轉(zhuǎn)錄抑制因子的結(jié)合直接抑制轉(zhuǎn)錄渣刷，或通過促進(jìn)抑制性組蛋白修飾如H3K9me2和抑制允許性組蛋白修飾如組蛋白乙酰化114玉控、115間接抑制轉(zhuǎn)錄（圖4A）飞主。啟動(dòng)子甲基化如何激活基因轉(zhuǎn)錄尚不清楚。據(jù)推測高诺，DNA甲基化可能增強(qiáng)某些轉(zhuǎn)錄激活因子的結(jié)合碌识，或者可能抑制某些轉(zhuǎn)錄抑制因子的結(jié)合。啟動(dòng)子處的DNA甲基化通常是來自附近轉(zhuǎn)座子和其他重復(fù)序列的甲基化機(jī)制擴(kuò)散的結(jié)果虱而。 與基因相鄰的轉(zhuǎn)座子和重復(fù)序列也被活性DNA去甲基化機(jī)制靶向筏餐，以保護(hù)基因免于轉(zhuǎn)錄沉默98。在基因被啟動(dòng)子DNA甲基化激活的情況下牡拇，主動(dòng)去甲基化導(dǎo)致基因的轉(zhuǎn)錄沉默3魁瞪，106。

? 在擬南芥中惠呼，只有大約5%的基因在啟動(dòng)子區(qū)被甲基化导俘。因此，DNA甲基化不調(diào)節(jié)許多基因的轉(zhuǎn)錄剔蹋，并且大多數(shù)DNA甲基化減少或增加的突變體不會(huì)嚴(yán)重?fù)p害生長或發(fā)育11旅薄。相反，具有較大基因組的作物可以具有較高的轉(zhuǎn)座子含量和更多接近基因的轉(zhuǎn)座子泣崩；因此少梁，與擬南芥相比，DNA甲基化在幾種作物的基因調(diào)控中具有更重要的作用矫付，并且這些作物中的DNA甲基化突變體通常要么是致命的凯沪，要么具有嚴(yán)重的生長和發(fā)育缺陷3，116–119买优。

? 1/3以上個(gè)體的基因體妨马。 擬南芥基因是甲基化的12。與轉(zhuǎn)座子和重復(fù)序列相反杀赢，轉(zhuǎn)座子和重復(fù)序列通常在所有三種胞嘧啶環(huán)境中高度甲基化烘跺，基因體中的DNA甲基化具有非常少的非CG甲基化12，13葵陵，120液荸，121（圖4B）⊥迅荩基因體甲基化（GBM）優(yōu)先發(fā)生在外顯子上娇钱，而在轉(zhuǎn)錄起始和終止位點(diǎn)121上不存在。作為大多數(shù)被子植物的保守特征绊困，具有GBM的基因往往比未甲基化的基因更長文搂，并且通常組成型表達(dá)12，121秤朗，122煤蹭。在兩種被子植物（Eutrema salsugineum和Conringia planisiliqua）中，GBM的全基因組缺失歸因于CMT3的缺失（參考文獻(xiàn)123，124）硝皂。隨著組蛋白H3.3水平的降低常挚，擬南芥中的GBM水平降低，這與連接組蛋白H1的密度增加相關(guān)稽物，表明GBM受到組蛋白H3.3的促進(jìn)奄毡，其抑制組蛋白H1依賴性染色質(zhì)折疊，從而增加染色質(zhì)對DNA甲基化酶的可及性125贝或。

? 基因體CG甲基化在A中幾乎完全不存在吼过。 擬南芥Met1-3突變體，其中GBM基因的穩(wěn)態(tài)mRNA水平相對于未甲基化基因似乎沒有全面增加12咪奖。此外盗忱，GBM的自然變異與擬南芥種群的整體基因表達(dá)水平不相關(guān)126。另一方面羊赵，對二穗短柄草（Brachypodium distachyon）和水稻（Oryza sativa japonica group）的比較表明趟佃，GBM在這兩個(gè)物種的直系同源物中高度保守，并影響長的慷垮、緩慢進(jìn)化的基因121的偏向子集揖闸。因此，GBM在被子植物中的生物學(xué)重要性似乎是物種依賴性的料身√乐剑考慮到組蛋白變體H2A.Z在基因體中的富集與基因?qū)Νh(huán)境和發(fā)育刺激的反應(yīng)相關(guān)，并且H2A.Z和DNA甲基化在擬南芥中的基因組分布是反相關(guān)的芹血，GBM被提議通過從核小體中排除H2A.Z127來降低基因表達(dá)變異性贮泞。此外，植物中的GBM可以阻止來自內(nèi)部隱蔽啟動(dòng)子的異常轉(zhuǎn)錄128幔烛。 事實(shí)上啃擦，在小鼠細(xì)胞中，基因內(nèi)DNA甲基化保護(hù)基因體免于虛假的pol II進(jìn)入和隱蔽的轉(zhuǎn)錄起始129饿悬。研究還表明令蛉，GBM增加了植物127中的前mRNA剪接效率，這與觀察到的一小部分選擇性外顯子-內(nèi)含子連接受到栽培稻Met1-2突變體中CG甲基化整體缺失的影響是一致的130狡恬。

? 一些基因內(nèi)含子含有轉(zhuǎn)座子或其他重復(fù)序列珠叔，它們在所有胞嘧啶序列中高度甲基化并調(diào)節(jié)mRNA加工，例如選擇性多聚腺苷酸化弟劲。同源異型基因缺陷的內(nèi)含子中的長散在核元件反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子中的DNA甲基化缺失導(dǎo)致選擇性剪接和提前終止祷安，并因此產(chǎn)生油棕櫚131的非生產(chǎn)性體細(xì)胞無性系變體。擬南芥的一個(gè)內(nèi)含子增加了盆景甲基化1（IBM1兔乞；也稱為JMJ25）基因汇鞭，其編碼組蛋白H3K9去甲基化酶凉唐，含有一個(gè)異染色質(zhì)重復(fù)元件，該元件被一種新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)復(fù)合物識(shí)別霍骄，該蛋白質(zhì)復(fù)合物促進(jìn)IBM1轉(zhuǎn)錄的遠(yuǎn)端多聚腺苷酸化132–136（圖 4C）台囱。該蛋白復(fù)合物由抗沉默蛋白1（ASI1）、增強(qiáng)的霜霉病蛋白2（EDM2）和ASI1-免疫沉淀蛋白1（AIPP1）組成腕巡。ASI1是一種含有BAH結(jié)構(gòu)域的RNA結(jié)合蛋白玄坦，該結(jié)構(gòu)域可介導(dǎo)其染色質(zhì)與IBM1內(nèi)含子132血筑，133內(nèi)的異染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)合绘沉。EDM2含有復(fù)合植物同源結(jié)構(gòu)域（PhD），其識(shí)別轉(zhuǎn)錄抑制H3K9me2和轉(zhuǎn)錄激活H3K4me3修飾豺总，它們共同表征含有異染色質(zhì)重復(fù)134的內(nèi)含子车伞。AIPP1與ASI1和EDM2相互作用，從而促進(jìn)復(fù)合物的形成喻喳，這也促進(jìn)許多其他基因的遠(yuǎn)端多聚腺苷酸化另玖，這些基因同樣含有內(nèi)含子異染色質(zhì)135，盡管復(fù)合物促進(jìn)選擇性多聚腺苷酸化的機(jī)制尚不清楚表伦。ASI1谦去、EDM2或AIPP1的突變由于IBM1的全長功能性轉(zhuǎn)錄物的缺失而間接導(dǎo)致基因沉默。ASI1還與具有PhD結(jié)構(gòu)域的AIPP2蹦哼、具有BAH結(jié)構(gòu)域的AIPP3和Pol II羧基末端結(jié)構(gòu)域磷酸酶羧基末端磷酸酶樣2（REF結(jié)合鳄哭。 135).有趣的是，與ASI1–AIPP1–EDM2復(fù)合體中的突變相比纲熏，這三種蛋白質(zhì)中的突變對基因調(diào)控具有相反的影響135妆丘。

? 轉(zhuǎn)座子沉默

? 轉(zhuǎn)座子可以通過DNA轉(zhuǎn)座子的重新定位或反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子新拷貝的插入來威脅基因組的穩(wěn)定性。在擬南芥中局劲，著絲粒周圍的異染色質(zhì)和一些含有轉(zhuǎn)座子或含有重復(fù)序列的常染色質(zhì)區(qū)域在所有胞嘧啶環(huán)境中都高度甲基化12勺拣，120（圖4D）。RdDM在短轉(zhuǎn)座子中和沿著長轉(zhuǎn)座子的邊緣維持不對稱（CHH）甲基化鱼填；異染色質(zhì)長轉(zhuǎn)座子內(nèi)部區(qū)域的不對稱甲基化依賴于DDM1药有，并由CMT2催化（參考文獻(xiàn)64，74）苹丸。在玉米基因組中愤惰，活性基因和非活性轉(zhuǎn)座子散布在一起，通常被RdDM依賴的CHH甲基化島分隔開谈跛，這些島是CHH甲基化升高的短區(qū)域羊苟。CHH甲基化島的丟失經(jīng)常導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活，伴隨著附近轉(zhuǎn)座子中CG和CHG的低甲基化感憾，這表明玉米中的RdDM需要防止沉默的轉(zhuǎn)座子被附近活性基因137的常染色質(zhì)激活蜡励。 在甜菜中令花，不對稱甲基化似乎優(yōu)先參與DNA轉(zhuǎn)座子的沉默，轉(zhuǎn)座子顯示出比反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和基因138更高的CHH甲基化水平凉倚。有趣的是兼都，在擬南芥和番茄中，著絲粒周圍區(qū)域顯示出偏向性的CHH甲基化稽寒，低水平的甲基化CCG和高水平的甲基化CAA扮碧、CTA或CAT。相反杏糙，常染色質(zhì)區(qū)域的不對稱甲基化在兩個(gè)Dicots139中是獨(dú)立于環(huán)境的慎王。在單子葉植物玉米和水稻中，CHH甲基化的環(huán)境依賴性偏倚分散在整個(gè)染色體139中宏侍。轉(zhuǎn)座子去阻遏在DNA甲基化缺陷的擬南芥突變體中普遍存在赖淤；然而，僅在少數(shù)轉(zhuǎn)座子中觀察到轉(zhuǎn)座谅河，這可能是由于轉(zhuǎn)錄后機(jī)制的抑制咱旱。Met1或CMT3的功能障礙很少引起轉(zhuǎn)座子動(dòng)員，而這兩種DNA甲基化酶的雙重突變或DDM1的功能障礙導(dǎo)致CG和CHG環(huán)境中強(qiáng)烈的DNA低甲基化绷耍，并伴隨轉(zhuǎn)座140–142水平的升高吐限。 與野生型植物相比，nrpd1突變體在響應(yīng)熱脅迫時(shí)表現(xiàn)出更頻繁的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子onsen轉(zhuǎn)座143褂始；然而诸典，在非脅迫條件下，在CMT2或RdDM因子缺陷的突變體中沒有轉(zhuǎn)座的報(bào)道病袄，這表明CHH甲基化在抑制擬南芥中的轉(zhuǎn)座子動(dòng)員中并不單獨(dú)起作用搂赋。在水稻中，ROS1同源物DNA糖基化酶/裂解酶701影響反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Tos17的轉(zhuǎn)座益缠，表明通過主動(dòng)去甲基化的DNA低甲基化也可以促進(jìn)轉(zhuǎn)座子動(dòng)員144脑奠。染色體相互作用。DNA甲基化影響染色質(zhì)的表觀遺傳狀態(tài)幅慌，因此可以參與染色體相互作用宋欺。在擬南芥細(xì)胞核中，所有五條染色體在稱為Knot145的結(jié)構(gòu)中相互作用胰伍。形成結(jié)結(jié)構(gòu)的染色體區(qū)域包括相互作用的異染色質(zhì)島（IHIs）齿诞，其是位于常染色質(zhì)染色體臂中的抑制性染色質(zhì)區(qū)域，并且以豐富的轉(zhuǎn)座子和小RNAs 145骂租，146的大量富集為特征祷杈。 IHI相互作用在Met1和DDM1突變體中不受影響，這兩種突變體在所有胞嘧啶環(huán)境中都表現(xiàn)出廣泛的DNA低甲基化渗饮，在SUVH4–SUVH5–SUVH6三重突變體中也是如此但汞，該突變體在H3K9甲基化方面有缺陷146宿刮。因此，DNA甲基化和H3K9me2對于IHIS的染色體相互作用可能是可有可無的私蕾。此外僵缺，在Met1和DDM1突變146中觀察到異位IHI基因座。因此踩叭，DNA甲基化似乎抑制了潛在的染色體相互作用磕潮，盡管新IHIS出現(xiàn)的潛在機(jī)制尚不清楚。類似地容贝，在RdDM缺陷的突變體中自脯，某些RdDM區(qū)域的染色體相互作用的頻率增加，表明RdDM阻止了某些基因組區(qū)域在野生型植物中形成染色體相互作用147嗤疯。此外冤今，在Pol V依賴性DNA甲基化位點(diǎn)和被RdDM抑制的遠(yuǎn)端基因之間觀察到增強(qiáng)的染色體相互作用，表明染色體相互作用可能在基因表達(dá)中具有調(diào)節(jié)功能147茂缚。 除了結(jié)之外，在著絲粒周圍區(qū)域之間發(fā)生強(qiáng)烈的染色體相互作用屋谭，包括4號(hào)染色體短臂上的異染色質(zhì)頂球（REFS145脚囊，146）（圖4E）。與IHIS不同的是桐磁，Met1和DDM1中DNA甲基化的缺失損害了著絲粒周區(qū)的染色體相互作用悔耘，如著絲粒周區(qū)之間的相互作用減少，著絲粒周和常染色質(zhì)染色體臂之間的相互作用增加我擂，以及與野生型Nuclei146相比衬以，突變體中著絲粒周區(qū)內(nèi)相互作用部分的位置發(fā)生了明顯變化。在suvh4–suvh5–suvh6三重突變體和met1或ddm1突變體中校摩，著絲粒周圍相互作用模式相似看峻，只是在前者中沒有觀察到著絲粒周圍相互作用區(qū)域的變化。染色體相互作用模式不會(huì)因CMT3的功能障礙而改變（參考文獻(xiàn)146）衙吩，這表明SUVH4–SUVH5–SUVH6突變體中染色體相互作用模式的改變是由于H3K9me2的缺失而不是CHG甲基化的缺失互妓，盡管DNA甲基化是植物染色體在著絲粒周圍區(qū)域相互作用的主要表觀遺傳決定因素。 植物發(fā)育中的DNA甲基化不同組織或細(xì)胞類型中的DNA甲基化水平在生長和發(fā)育過程中以及在植物的整個(gè)生命周期中受到嚴(yán)格控制坤塞，反映了DNA甲基化在植物生理學(xué)中的重要作用（盒1冯勉；圖5).印記和種子發(fā)育。A.擬南芥植物使用雙受精策略摹芙，該策略依賴于雄性和雌性配子體的多細(xì)胞性質(zhì)灼狰。花粉中的兩個(gè)精細(xì)胞分別與雌配子體中的卵細(xì)胞和中央細(xì)胞受精浮禾，從而分別產(chǎn)生胚和胚乳交胚。與胚胎95–97坛悉，148相比，水稻和擬南芥胚乳顯示整體DNA低甲基化承绸。在擬南芥中裸影，這部分歸因于受精前中央細(xì)胞（雌性配子）的伴胞中DME依賴性的主動(dòng)去甲基化95，97军熏，149（圖）轩猩。Met1的轉(zhuǎn)錄抑制也發(fā)生在雌性配子發(fā)生過程中，但似乎對廣泛的去甲基化沒有貢獻(xiàn)荡澎，因?yàn)樵谝吧团呷橹袥]有觀察到全基因組的CG低甲基化均践，這與預(yù)期的較低的Met1活性是一致的，并且在DME突變體胚乳M97摩幔，149中DNA甲基化幾乎完全恢復(fù)彤委。 DME介導(dǎo)的DNA去甲基化也發(fā)生在雄性配子伴胞（營養(yǎng)細(xì)胞）中，并且與DDM1（的顯著下調(diào)同時(shí)發(fā)生或衡，參見97焦影，150）（圖）。因此封断，siRNA由去甲基化和去沉默的轉(zhuǎn)座子產(chǎn)生斯辰，并從營養(yǎng)細(xì)胞移動(dòng)到精細(xì)胞，在那里它們增強(qiáng)RdDM97坡疼，150彬呻，151。在卵細(xì)胞中還檢測到A.擬南芥Pol V和DRM2柄瑰，而不是在經(jīng)典RdDM途徑中產(chǎn)生siRNA所必需的Pol IV闸氮。因此，在精細(xì)胞中積累的轉(zhuǎn)座子siRNA也可以在卵細(xì)胞受精后加強(qiáng)轉(zhuǎn)座子沉默教沾。隨后蒲跨，在種子發(fā)育過程中，CHH甲基化的整體水平增加详囤；隨后财骨，在萌發(fā)過程中，由于被動(dòng)去甲基化藏姐，它們減少隆箩，表明DNA甲基化在種子休眠153–156中的潛在作用。盡管CHH甲基化水平在雄性性系中通常低于體細(xì)胞羔杨，但已鑒定出數(shù)百個(gè)RdDM依賴性的超甲基化基因座捌臊；這種性別譜系特異性甲基化對減數(shù)分裂157很重要。 胚乳中的母本基因組比父本基因組甲基化程度低兜材，特別是在CG環(huán)境中95理澎，96逞力，148，158糠爬，159寇荧。在胚乳158-161的許多基因座上，這種親本特異性甲基化與相應(yīng)的親本特異性基因表達(dá)（基因印記）密切相關(guān)执隧。母系表達(dá)的基因（MEGs）的一個(gè)共同特征是母系等位基因是低甲基化的揩抡，而父系等位基因是甲基化的和抑制的（圖）。在某些MEGs中镀琉，如擬南芥中的Medea峦嗤，父系等位基因被抑制性組蛋白修飾H3K27me3而不是DNA甲基化81，162沉默屋摔。母親DME或父親Met1的功能障礙破壞了MEGs的印跡烁设，表明一些MEGs可歸因于DNA甲基化的等位基因特異性抑制163–166。父系表達(dá)的基因（PEGs）的母系等位基因通常由H3K27me3（標(biāo)記钓试。）装黑。這種組蛋白修飾被認(rèn)為是表現(xiàn)出DNA低甲基化158，163亚侠，167的母體等位基因沉默的基礎(chǔ)曹体。 正如最近在玉米胚乳中所顯示的，PEGs在沉默的硝烂、DNA低甲基化的母本等位基因上由H3K27me3標(biāo)記，在表達(dá)的铜幽、DNA高甲基化的父本等位基因上由活性修飾H3K36me3標(biāo)記滞谢。相反，通過父本等位基因中的DNA甲基化和母本等位基因168中的活性修飾H3K4me3除抛，胚乳特異性Meg在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近被標(biāo)記狮杨。營養(yǎng)生長和模式形成。植物分生組織中的干細(xì)胞是所有組織和器官的來源到忽。在擬南芥中橄教，RdDM因子的轉(zhuǎn)錄水平在分生組織中比在主要通過細(xì)胞擴(kuò)展生長的組織中更高，例如在下胚軸或分化的葉子中169喘漏。對根分生組織中各種細(xì)胞類型的比較顯示护蝶，中柱細(xì)胞中的DNA甲基化水平最高，這可能是因?yàn)檫@些細(xì)胞具有較少濃縮的著絲粒周圍染色質(zhì)翩迈，這使得RdDM因子170具有更大的可及性持灰。雖然沒有明顯的分生組織缺陷的報(bào)道。 擬南芥RdDM突變體负饲、水稻和玉米R(shí)dDM突變體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的發(fā)育異常116–118堤魁，171喂链，這可能反映了這些因子在分生組織功能中的關(guān)鍵作用。水稻中的許多發(fā)育基因在葉片從莖尖分生組織發(fā)育后受到依賴于SET結(jié)構(gòu)域蛋白711（SDG711）的H3K27me3沉積的抑制172妥泉。與胚乳H3K27me3不同椭微，依賴于SDG711的H3K27me3與水稻DRM2催化的非CG DNA甲基化在基因體中共存。SDG711與DRM2發(fā)生物理相互作用盲链，其突變減少了SDG711與染色質(zhì)的結(jié)合和H3K27me3在被抑制基因172上的沉積蝇率。在玉米中，維持DNA甲基轉(zhuǎn)移酶在葉片生長過程中受到不同的調(diào)節(jié)匈仗，導(dǎo)致在分裂區(qū)瓢剿、過渡區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)之間形成不同的CG和CHG甲基化模式悠轩，它們共同代表了葉片中細(xì)胞的空間梯度173间狂。玉米葉片中的差異甲基化主要發(fā)生在基因體及其附近，包括一些參與染色質(zhì)重塑火架、細(xì)胞周期進(jìn)程和生長調(diào)控的基因鉴象。 盡管非CG GBM與水稻172中的SDG711依賴性基因抑制正相關(guān)，但具有差異GBM的玉米基因并沒有改變轉(zhuǎn)錄水平何鸡。相反纺弊，啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)173，表明DNA甲基化在玉米葉片生長中具有重要作用骡男。DNA甲基化在擬南芥某些葉表皮細(xì)胞的模式形成中起重要作用淆游。ROS1功能障礙導(dǎo)致啟動(dòng)子超甲基化和編碼表皮模式因子2（EPF2）的基因的抑制，EPF2是一種抑制氣孔形成的肽配體隔盛，導(dǎo)致擬南芥中氣孔譜系細(xì)胞的過度產(chǎn)生174犹菱。類似地，H3K9去甲基化酶IBM1的功能障礙導(dǎo)致H3K9me2和CHG DNA甲基化水平增加吮炕，并抑制編碼EPF2受體的三個(gè)LRR受體樣絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶ERECTA家族基因腊脱，導(dǎo)致與ROS1植物175中所見相似的氣孔模式形成缺陷。 氣孔模式形成的異常表觀遺傳調(diào)節(jié)可以通過ROS1植物中RdDM因子的突變或IBM1植物174龙亲，175中H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶SUVH4或CMT3的突變來挽救陕凹，從而代表了兩種DNA甲基化介導(dǎo)的調(diào)節(jié)擬南芥中葉表皮細(xì)胞模式的機(jī)制（圖5C）。果實(shí)成熟鳄炉。在番茄果實(shí)發(fā)育過程中杜耙，約有1%的果皮DNA甲基化組發(fā)生了改變。活性DNA去甲基化發(fā)生在許多果實(shí)成熟基因上，其啟動(dòng)子區(qū)含有成熟抑制劑（RIN）的結(jié)合位點(diǎn)鞋仍，RIN是主要的成熟轉(zhuǎn)錄因子3家妆，176珊豹。在大多數(shù)已知的成熟基因中證實(shí)了RIN與靶啟動(dòng)子的結(jié)合簸呈，這些基因的表達(dá)與啟動(dòng)子DNA甲基化水平呈負(fù)相關(guān)。用DNA甲基化的化學(xué)抑制劑處理誘導(dǎo)了啟動(dòng)子的低甲基化和編碼無色非成熟（CNR）的基因的表達(dá)店茶，該基因是果實(shí)成熟的關(guān)鍵RIN靶基因蜕便，并且還誘導(dǎo)了番茄果實(shí)的早熟176。 番茄（Solanum lycopersicum）DNA去甲基化酶DME-like 2（DML2）贩幻，其表達(dá)在成熟果實(shí)中顯著增加轿腺，介導(dǎo)果實(shí)成熟過程中發(fā)生的進(jìn)行性DNA去甲基化3，119（圖5D）丛楚。S.番茄DML2不僅靶向成熟誘導(dǎo)基因族壳，而且靶向成熟抑制基因，表明成熟誘導(dǎo)基因的激活和成熟抑制基因的抑制都需要活躍的DNA去甲基化3趣些。DML2介導(dǎo)的去甲基化對數(shù)百個(gè)成熟抑制基因的抑制作用表明仿荆，啟動(dòng)子DNA甲基化激活基因轉(zhuǎn)錄是番茄果實(shí)基因調(diào)控的重要機(jī)制。在功能缺失的DML2番茄突變體中坏平，果實(shí)不能成熟3拢操。DNA甲基化變化可能與其他水果的生長和成熟有關(guān)。蘋果果皮花色苷積累與蘋果MYB10基因啟動(dòng)子區(qū)的DNA甲基化水平呈負(fù)相關(guān)舶替。 在全基因組水平上令境，與葉片相比，發(fā)育中的蘋果果實(shí)表現(xiàn)出CHH超甲基化顾瞪，并且同基因果實(shí)之間的比較也表明較低的DNA甲基化水平與較小的果實(shí)大小之間存在聯(lián)系179舔庶。表等位基因與植物發(fā)育。等基因植物可以通過表觀等位基因來區(qū)分陈醒，表觀等位基因是具有不同表觀遺傳修飾的等位基因栖茉，可以通過世代遺傳。在番茄孵延、水稻和棉花等多種作物中已分離出天然的表等位基因，并影響重要的性狀180-182亲配。在番茄CNR表突變體中尘应，CNR基因被啟動(dòng)子中的DNA超甲基化轉(zhuǎn)錄抑制，導(dǎo)致無色吼虎、未成熟的果實(shí)180（圖5D）犬钢。在具有RAV6表等位基因的水稻中，啟動(dòng)子DNA低甲基化導(dǎo)致與脫落酸不敏感3/胎生16相關(guān)的異位表達(dá)思灰，其通過調(diào)節(jié)油菜素類固醇穩(wěn)態(tài)改變?nèi)~角181玷犹。在馴化的異源四倍體棉花中，與其在野生棉花中的表等位基因相比洒疚，類常數(shù)2D是低甲基化的歹颓，因此促進(jìn)了開花182坯屿。 在擬南芥183中，自發(fā)的表等位基因是罕見的巍扛。然而领跛，在突變體met1和ddm1中，基因組范圍內(nèi)DNA甲基化的大量丟失在重新引入相應(yīng)的野生型基因后只能部分恢復(fù)撤奸，從而揭示了可以被誘導(dǎo)并穩(wěn)定遺傳的表觀等位基因184-186吠昭。等基因植物與不同表觀基因組的遺傳雜交產(chǎn)生了表觀遺傳重組自交系（EPIRIL），其后代表現(xiàn)出穩(wěn)定的表觀等位基因遺傳和散布的非親本甲基化多態(tài)性184胧瓜，187矢棚。除了參與雜種不親和性和副突變188，189外府喳，表等位基因也可促進(jìn)雜種優(yōu)勢蒲肋，如擬南芥Epirils190，191所示劫拢。對環(huán)境刺激的響應(yīng)：DNA甲基化在植物對各種生物和非生物環(huán)境刺激的響應(yīng)中起作用肉津。人們對物理環(huán)境是否會(huì)改變DNA甲基化有相當(dāng)大的興趣，部分原因是對植物對過去環(huán)境的可能記憶的迷戀舱沧。 對擬南芥（A.thaliana）種群表觀基因組的研究不僅揭示了基于甲基化的數(shù)量表觀遺傳性狀位點(diǎn)192妹沙，還揭示了DNA甲基化與局部適應(yīng)之間的相關(guān)性，并通過觀察到地理起源與全基因組DNA甲基化水平和由表觀等位基因126熟吏，193引起的差異基因表達(dá)之間的聯(lián)系而得到了強(qiáng)調(diào)距糖。此外，越來越多的證據(jù)表明牵寺，在環(huán)境脅迫條件下悍引，植物DNA甲基化可以在單個(gè)基因座或整個(gè)基因組上發(fā)生改變，盡管仍不清楚響應(yīng)非生物脅迫的任何變化是否是適應(yīng)性的（圖6A）帽氓。生物脅迫植物響應(yīng)于病原體的感染和共生微生物的定殖而表現(xiàn)出全基因組DNA甲基化變化趣斤。蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的結(jié)瘤需要脫甲基酶DME194。在根瘤發(fā)育過程中黎休，數(shù)百個(gè)基因組區(qū)域被差異甲基化浓领，包括根瘤特異性共生基因194，195的一小部分势腮。 在受胞囊線蟲196联贩，197侵染的大豆和擬南芥根中觀察到廣泛的DNA低甲基化。在擬南芥葉片中捎拯，暴露于細(xì)菌性病原體丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae PV泪幌。番茄串DC3000（PST DC3000）引起輕微但廣泛的差異DNA甲基化；差異甲基化的胞嘧啶主要在基因富集區(qū)的CG和CHH中發(fā)現(xiàn)，特別是在蛋白質(zhì)編碼基因的5端和3端祸泪。此外吗浩，PST DC3000響應(yīng)的DNA甲基化與基因組198中鄰近基因的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)，表明基因邊界的DNA甲基化受到動(dòng)態(tài)調(diào)控浴滴，可能有助于響應(yīng)病原體的差異基因表達(dá)拓萌。類病毒（Viroids）是一類植物病原非編碼RNA（ncRNA），在黃瓜葉片和花粉粒中誘導(dǎo)啟動(dòng)子區(qū)DNA去甲基化和一些核糖體RNA（rRNA）基因的轉(zhuǎn)錄激活升略，導(dǎo)致rRNA199微王，200衍生的小RNA大量積累。 水楊酸是一種對植物抗病性至關(guān)重要的植物激素品嚣，外源施用水楊酸導(dǎo)致擬南芥著絲粒周圍區(qū)域的兆堿基水平的DNA低甲基化炕倘，這伴隨著來源于低甲基化轉(zhuǎn)座子198的21個(gè)核苷酸的siRNA水平的增加。在全球1000多份擬南芥材料中翰撑，編碼核苷酸結(jié)合和寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體的基因是甲基化變異的主要位點(diǎn)126罩旋，這表明生物環(huán)境因素是塑造植物表觀基因組的主要力量。DNA甲基化或去甲基化調(diào)節(jié)因子的突變可以改變植物對某些病原體的易感性201–206眶诈。細(xì)菌鞭毛蛋白衍生肽FLG22對擬南芥葉片的浸潤觸發(fā)了RdDM因子的基因抑制涨醋，這伴隨著一些RdDM靶標(biāo)的DNA去甲基化和轉(zhuǎn)錄激活，包括一些免疫應(yīng)答基因203的啟動(dòng)子區(qū)逝撬。與野生型植物203相比浴骂，ros1突變體和RdDM突變體分別表現(xiàn)出PST DC3000在葉片中的增殖和維管繁殖增加和減少。 類似地宪潮，植物對生物營養(yǎng)病原體擬南芥霜霉病菌的抗性在DNA低甲基化突變體如NRPE1中增加溯警，而在DNA高甲基化突變體如ROS1中降低（參考文獻(xiàn)205）。除了增加對生物營養(yǎng)病原體的抗性外狡相，pol V突變還降低了對真菌壞死營養(yǎng)病原體灰葡萄孢（Botrytis cinerea）和胡瓜黑星菌（Plectosphaerella cucumerina）的抗性梯轻。與Pol V突變體不同，NRPD1（Pol IV）突變體對PST DC3000或真菌病原體202的抗性沒有改變尽棕，表明Pol V可以獨(dú)立于經(jīng)典RdDM調(diào)節(jié)植物免疫應(yīng)答喳挑。然而，在具有AGO4突變等位基因AGO4-1和AGO4-2的植物中觀察到對PST DC3000的敏感性增加滔悉，這表明與其他RdDM因子201蟀悦，202相比，AGO4在植物抗病性中具有獨(dú)特的功能氧敢。對DNA去甲基化酶三重突變體ROS1–DML2–DML3和野生型擬南芥的比較顯示，突變體中的DNA超甲基化優(yōu)先發(fā)生在基因體的側(cè)翼區(qū)域询张，包括上游啟動(dòng)子區(qū)和3?非翻譯區(qū)孙乖。 超過200個(gè)基因在ROS1–DML2–DML3植物中被抑制，其中相當(dāng)一部分在生物脅迫反應(yīng)中具有已知或推定的功能，并且在其啟動(dòng)子中富含小轉(zhuǎn)座子唯袄。與此一致弯屈，ROS1–DML2–DML3突變體表現(xiàn)出對真菌病原體尖孢鐮刀菌204的易感性增加（圖6B）。因此恋拷，很明顯资厉，植物動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)DNA甲基化以調(diào)節(jié)防御基因的表達(dá)。非生物脅迫研究人員已經(jīng)深入探索了DNA甲基化在植物響應(yīng)一系列非生物環(huán)境脅迫條件中的潛在作用蔬顾，包括高溫宴偿、低溫、干旱诀豁、高鹽窄刘、高滲脅迫、紫外線輻射脅迫舷胜、土壤養(yǎng)分缺乏娩践、激光照射、缺氧和復(fù)氧烹骨、農(nóng)藥和氣候變化翻伺。該研究涉及多種植物，包括擬南芥沮焕、玉米吨岭、水稻、冬小麥遇汞、蕪菁未妹、甘藍(lán)型油菜、大麥空入、毛果楊和櫟樹207–227络它。 與植物對生物脅迫反應(yīng)的研究類似，許多早期的非生物脅迫研究表明歪赢，脅迫誘導(dǎo)的DNA甲基化和/或去甲基化模式要么在基因組范圍內(nèi)化戳，要么在特定的位點(diǎn)上。在某些情況下埋凯，DNA甲基化的這些變化可能與參與植物脅迫反應(yīng)的基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控210–212点楼，228有關(guān)，這表明DNA甲基化在介導(dǎo)植物對非生物環(huán)境刺激的反應(yīng)中很重要白对。最近的研究強(qiáng)調(diào)了持續(xù)脅迫對于在植物中建立DNA甲基化依賴性脅迫記憶的潛在重要性209掠廓，219，224甩恼。水稻植株中的無機(jī)磷（Pi）饑餓產(chǎn)生了超過100個(gè)差異甲基化區(qū)域（DMR）蟀瞧，這些區(qū)域大多是CHH高度甲基化的沉颂，并且?guī)缀踔慌c被稱為Pi饑餓誘導(dǎo)（PSI）基因207的脅迫應(yīng)答基因附近的轉(zhuǎn)座子重疊。時(shí)程分析顯示悦污，PSI基因轉(zhuǎn)錄發(fā)生在局部DNA甲基化改變之前铸屉，表明這些DMR可能是PSI基因激活的結(jié)果，可能不影響應(yīng)激反應(yīng)切端。 與這種可能性相一致的是彻坛，在植物被補(bǔ)充了無機(jī)磷酸鹽（這是一種關(guān)閉PSI基因表達(dá)的作用）后，大多數(shù)PSI DMR的DNA甲基化水平逐漸恢復(fù)到足夠的無機(jī)磷酸鹽水平踏枣。沒有觀察到PSI DMR的減數(shù)分裂傳遞昌屉，因此證明了PSI DMR在水稻中的瞬時(shí)性質(zhì)。類似地椰于，小麥春化-A1基因中的非CG超甲基化可由冷處理誘導(dǎo)怠益，并通過有絲分裂而不是減數(shù)分裂傳遞。在番茄果實(shí)中瘾婿，冷處理下調(diào)DNA去甲基化酶DML2的表達(dá)蜻牢，從而導(dǎo)致啟動(dòng)子超甲基化和負(fù)責(zé)風(fēng)味揮發(fā)物生物合成的基因沉默228。這就解釋了為什么番茄果實(shí)在冷藏過程中會(huì)失去風(fēng)味偏陪。在高鹽脅迫的擬南芥中抢呆，誘導(dǎo)的DNA甲基化變化可以部分傳遞給下一代，這優(yōu)先通過雌性胚系209笛谦，219發(fā)生抱虐；然而，如果后代沒有受到持續(xù)的壓力饥脑，遺傳的表觀遺傳狀態(tài)會(huì)逐漸重置219恳邀。 在SDC基因中也觀察到這樣的事實(shí)，即植物中脅迫誘導(dǎo)的表觀遺傳記憶的持續(xù)需要持續(xù)的脅迫灶轰，該基因編碼DRM1谣沸、DRM2、CMT3的抑制子笋颤，并通過營養(yǎng)組織中的啟動(dòng)子DNA甲基化而沉默224乳附。在SDC的熱誘導(dǎo)活化之后，需要重復(fù)的熱處理以防止SDC再沉默伴澄。此外赋除，在暴露于紫外線和溫度脅迫的擬南芥中，以組蛋白H3占位減少和H3K9或H3K14乙醴橇瑁化增加為特征的表觀遺傳脅迫記憶举农，而不是DNA甲基化的變化，可以傳遞給非脅迫后代敞嗡，但僅持續(xù)幾代226并蝗，這與植物中的表觀遺傳記憶不持久的推論一致祭犯。已知A.DDM1和Morpheus分子1（MOM1）在植物從熱脅迫恢復(fù)過程中介導(dǎo)脅迫誘導(dǎo)的表觀遺傳記憶的消除。與DDM1不同滚停，DDM1的突變通過DNA甲基化的大量丟失減輕轉(zhuǎn)錄沉默，而MOM1通過一種不明確的機(jī)制介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄沉默而不影響DNA甲基化229–231粥惧。 在ddm1–mom1雙突變體中键畴，熱應(yīng)激誘導(dǎo)的表觀遺傳沉默的釋放被傳遞給后代，而在ddm1和mom1單突變體中突雪，應(yīng)激誘導(dǎo)的沉默的釋放不能被遺傳起惕，這表明ddm1和mom1在阻止應(yīng)激誘導(dǎo)去沉默232的跨代表觀遺傳中起著冗余作用。另一方面咏删，DDM1和MOM1可能不會(huì)阻止應(yīng)激誘導(dǎo)的沉默惹想，因?yàn)樗鼈兪潜碛^遺傳沉默的正調(diào)節(jié)因子。DDM1突變導(dǎo)致在MOM1存在的情況下可遺傳的異位DNA超甲基化（參考文獻(xiàn)233）督函。因此嘀粱，以沉默的形式消除應(yīng)激誘導(dǎo)的表觀遺傳記憶可能需要獨(dú)立于DDM1和MOM1的機(jī)制〕浇疲或者锋叨，應(yīng)激誘導(dǎo)的表觀遺傳模式的喪失可能是由于缺乏持續(xù)的應(yīng)激刺激而導(dǎo)致的被動(dòng)過程（圖6C）。未來展望最近關(guān)于植物DNA甲基化調(diào)控和功能的研究已經(jīng)導(dǎo)致了許多重要的發(fā)現(xiàn)宛篇，如觸發(fā)從頭DNA甲基化的初始ncRNA的身份娃磺，指導(dǎo)DNA去甲基化酶靶向的IDM蛋白復(fù)合物，控制DNA甲基化和去甲基化之間平衡的MEMS Methylstat元件叫倍，識(shí)別內(nèi)含子異染色質(zhì)并促進(jìn)mRNA遠(yuǎn)端多聚腺苷酸化的ASI1–AIPP1–EDM2蛋白復(fù)合物偷卧，遺傳雜種中的DNA甲基化組相互作用以及來自A.的1001個(gè)基因組集合的表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組。 塔利亞娜吆倦。這些和其他發(fā)現(xiàn)不僅擴(kuò)展了我們對植物中DNA甲基化動(dòng)力學(xué)的知識(shí)听诸，而且還可能闡明DNA甲基化模式是如何在非植物生物體（包括哺乳動(dòng)物）中產(chǎn)生的。最近的發(fā)現(xiàn)也產(chǎn)生了許多新的問題逼庞。例如蛇更，在不依賴于DCL的RdDM中，短P4 RNA是否加載到AGO上以指導(dǎo)DNA甲基化赛糟？在擬南芥雜種中派任，許多跨染色體DNA甲基化位點(diǎn)的兩個(gè)等位基因之間的DNA甲基化的相互增強(qiáng)表明RdDM涉及等位基因相互作用234（補(bǔ)充框1）。這些等位基因相互作用不能用現(xiàn)有的RdDM模型來解釋璧南，這意味著可能需要對這些模型進(jìn)行徹底的改變掌逛。SHH1僅將Pol IV募集到規(guī)范RdDM靶位點(diǎn)的子集；類似地司倚，IDM復(fù)合體僅將ROS1募集到ROS1依賴性去甲基化靶位點(diǎn)的子集豆混。因此篓像，RdDM途徑和ROS1介導(dǎo)的去甲基化的初始募集的替代機(jī)制仍有待確定。 A.擬南芥已經(jīng)用作并繼續(xù)用作研究DNA甲基化和去甲基化的基本機(jī)制的極好的模型系統(tǒng)皿伺，部分是因?yàn)镈NA甲基化的作用在該植物中是有限的员辩，因此DNA甲基化和去甲基化突變體通常不是致死的。令人興奮的是鸵鸥，在基因組比擬南芥更復(fù)雜的植物中奠滑，DNA甲基化似乎調(diào)節(jié)許多更重要的生長和發(fā)育基因以及脅迫反應(yīng)基因。未來的研究無疑將揭示DNA甲基化在這些植物中的新作用妒穴，靶向DNA甲基化酶和去甲基化酶的新機(jī)制宋税，以及DNA甲基化表觀等位基因產(chǎn)生、維持讼油、轉(zhuǎn)換和消除的機(jī)制杰赛。2018年5月21日在線發(fā)布