DNA 腺嘌呤第六位氮原子上的甲基化（6mA）修飾最早發(fā)現(xiàn)廣泛存在于原核生物基因組中，保護基因組免受外源DNA入侵。近年來，多種真核生物基因組DNA上的6mA 修飾也被發(fā)現(xiàn)，且其在基因組中的分布、豐度和功能存在顯著差異。由于不同物種的基因組、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)以及染色質(zhì)修飾方式的不同，6mA可作為轉(zhuǎn)錄激活或抑制的表觀標記發(fā)揮作用，可以參與干細胞發(fā)育、非生物脅迫的響應(yīng)等。6mA修飾一般由腺嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶METTL和去甲基化酶ALKBH進行動態(tài)調(diào)控。DNA腺嘌呤去甲基化酶ALKBH1蛋白屬于Fe(II)-α-酮戊二酸雙加氧酶家族中AlkB亞家族成員，可以從單鏈或未配對的DNA中去除6mA。

多梳蛋白復(fù)合體PRC2催化的組蛋白H3第27位賴氨酸三甲基化（H3K27me3）是一類維持基因和基因組沉默的關(guān)鍵組蛋白修飾，在動植物生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)答中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。在水稻中，大約有8%的基因上存在H3K27me3和H3K4me3共定位的二價修飾，這種二價修飾使發(fā)育及脅迫響應(yīng)相關(guān)的調(diào)節(jié)基因處于“蓄勢待發(fā)”的瞬時激活狀態(tài)，以便快速響應(yīng)外界的信號變化。但是該二價修飾的動態(tài)變化是否會受到DNA腺嘌呤去甲基化酶的調(diào)控還從未被探究。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室水稻團隊周道繡教授課題組在國際期刊Genome Biology上在線發(fā)表了題為“A DNA adenine demethylase impairs PRC2-mediated repression of genes marked by a specific chromatin signature”的研究論文，揭示了水稻DNA腺嘌呤去甲基化酶ALKBH1通過調(diào)節(jié)組蛋白H3K27me3/H3K4me3修飾之間的平衡從而控制基因表達的功能，為學(xué)界理清PRC2復(fù)合物介導(dǎo)H3K27me3調(diào)控基因表達的機制提供了新見解。

圖1. ALKBH1調(diào)控水稻全基因組中R-loop上的6mA

該課題組前期研究首次揭示了DNA腺嘌呤甲基化修飾在水稻基因組中的分布特征與潛在功能，并證實了ALKBH1蛋白具有DNA腺嘌呤去甲基化酶活性，主要對單鏈DNA上的腺嘌呤進行去甲基化，并解析了ALKBH1的蛋白晶體結(jié)構(gòu)。為了進一步探究ALKBH1在植物染色質(zhì)中的功能，該團隊首先對alkbh1突變體和野生型（WT）水稻14天幼苗材料進行了6mA全基因組免疫共沉淀測序（6mA-IP-seq），發(fā)現(xiàn)ALKBH1缺失突變對水稻全基因組6mA的影響較小，結(jié)合R-loop數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)ALKBH1突變后R-loop上的6mA修飾顯著上升，說明ALKBH1在水稻基因組中主要去除R-loop上的6mA（圖1）。

隨后對這兩種材料進行了全基因組轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）和ALKBH1自身抗體的染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq），結(jié)合已發(fā)表的相同時期材料的表觀修飾數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)ALKBH1激活具有特定染色質(zhì)狀態(tài)（H3K4me3與H3K27me3共定位且CG甲基化低）基因表達的功能，并且這些基因在脅迫響應(yīng)方面顯著富集。因此推測ALKBH1可能通過調(diào)節(jié)基因上H3K27me3/H3K4me3的比例從而調(diào)控基因表達。為了驗證這一猜想，通過檢測alkbh1突變體和野生型材料中H3K27me3，H3K4me3和H3K9me2的修飾水平發(fā)現(xiàn)ALKBH1突變后只有H3K27me3修飾水平顯著上升，H3K4me3和H3K9me2修飾水平無明顯變化。這兩種材料H3K27me3 ChIP-seq與本組之前PRC2復(fù)合物核心成分EMF2b的ChIP-seq數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)ALKBH1與EMF2b在基因組中存在61%的共定位，并且當ALKBH1敲除后這些基因上的H3K27me3的修飾水平顯著上升。結(jié)合ChIP-qPCR進一步證明了ALKBH1在基因組上可以拮抗EMF2b的沉積，使靶基因保持較高的H3K27me3/H3K4me3比例，從而維持基因的表達。 

圖2 ALKBH1拮抗PRC2調(diào)控脅迫響應(yīng)基因的分子機制

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)進化上保守的ALKBH1在水稻基因組中可以去除R-loop上的6mA，并通過拮抗PRC2與目標基因的結(jié)合抑制H3K27me3，降低H3K27me3/H3K4me3比率，進而促進基因表達。這些結(jié)果揭示了ALKBH1 的新功能，并為 PRC2 控制基因表達的調(diào)控機制提供了新的見解。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北省洪山實驗室和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生賈慶霄和張昕冉為論文共同第一作者，周道繡教授為文章通訊作者，袁猛教授和趙毓教授為本研究的工作提供了指導(dǎo)和幫助。王文韜博士，馬瑄博士，李勝碩士，博士研究生劉潛、李俊杰、朱波、田晶晶以及碩士研究生龔世誠也參與了該研究工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目的支持以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助。