DNA去甲基化酶是植物调节生理功能的一个重要靶点，在植物胚胎发育、生殖器官建成和非生物胁迫应激中发挥重要作用，然而对于它们的研究目前仍局限于拟南芥水稻等少数模式植物物种。来自武汉大学生命科学学院李立家团队的茅圣鑫、肖健等人利用基因家族分析方法系统性研究了DNA Demethylases在12种陆地植物中的基因模式，在 Plants 期刊发表了标题为“Genome-Wide Analysis of DNA Demethylases in Land Plants and Their Expression Pattern in Rice”的文章。系统性研究了关于DNA去甲基化基因家族的系统发育、蛋白质结构域、基因结构、顺式作用元件和表达谱等多种性质，阐释了这些基因在高等植物中的进化关系。

研究过程与结果

作者以拟南芥中五个已知的DNA去甲基化酶作为标靶，在12个陆地植物 (包括水稻、玉米、葡萄、高粱等) 的基因组中进行序列比对，对所得的基因进行domain分析，筛选过后得到48种被预测为DNA去甲基化酶的基因，并利用邻接法构建出系统发育树 (图1)。接着，作者利用生物信息学分析方法，对这些基因的蛋白质结构域 (图2)、全基因组复制、基因结构 (图3) 和保守氨基酸位点 (图4) 进行了分析。作者发现，这些基因在进化树上大致分为两支，分别对应单子叶植物和双子叶植物，结合WGD分析和结构域分析，可以得知这些基因在生物进化中的演化关系。根据现有的研究，DNA去甲基化酶具有3个关键的结构域，包括RRM_DME、Perm-CXXC、和Nth。它们是DNA去甲基化酶的关键结构域。根据motif分析和文献研究，作者预测在N端存在一个未被定义的结构域Domain A，其具有显著高的带电氨基酸含量，可能执行DNA结合的功能。对于这一特殊结构，作者进行了同源重组结构分析 (图5)，发现其具有类似DNA结合域的典型αβα结构，可能是DNA结合的潜在靶点。

图1. DNA去甲基化酶基因家族系统发育树 (其中绿色代表单子叶植物，黄色代表双子叶植物)。

图2. 蛋白质结构域和motif分析结果。

图3. 基因结构模式分析。

图4. 氨基酸保守位点分析。

图5. Domain A同源重组预测结构分析。

为预测这些基因对于环境的可能响应，作者对全部基因的启动子区域进行顺式作用元件的预测和分析 (图6)。结果发现，其中对于光元件的响应因子最为丰富，包括Jasmonate-MeJA、Gibberellic acid-GA、Abscisic acid-ABA等元件。在所有元件，ABA响应元件 (ABRE) 具有最高的响应频次。为研究DNA去甲基化酶在水稻基因组中的表达情况，作者利用公开的水稻表达数据进行了表达谱分析，绘制了水稻在不同生长阶段和不同激素作用下的表达谱热图 (图7)。水稻的表达量告诉我们，OsDML3a 和OsDNG701 在水稻中占据更为重要的位置，其在生殖器官和早期胚胎中的表达量显著升高。根据激素处理的表达量变化可知，GA、JA和BR都是这些基因的正调控激素，IAA、ABA、CK则相反，这告诉我们在非生物胁迫作用下，JA等激素可能通过上调这些基因的表达量来指导植物对于外界条件进行反应。

图6. 水稻DNA去甲基化酶顺式作用元件分析，A图为顺式作用元件概述，B、C图为元件统计结果。

图7. A、C为水稻表达谱热图，B、D为基因表达量相对值。

研究总结

DNA甲基化在植物的生殖过程、胚胎发育和应对非生物胁迫等多种过程中发挥重要作用。本文利用生物信息学分析方法，系统性地研究了DNA去甲基化酶在多种陆地植物中的基因模式，对于其系统发育、基因结构、蛋白质结构域、保守氨基酸、顺式作用元件、表达谱等进行了全面的分析研究。系统进化树分析和WGD研究揭示了这些基因的物种间进化关系。保守结构域、蛋白质motif和基因结构分析阐释了DNA去甲基化酶的序列特征、基因特征和作用模式，同时预测了一种未被阐明的DNA结合结构域。启动子顺式作用元件分析展示了DNA去甲基化酶的潜在信号调节途径，而表达谱分析在水稻中展示了更加确切的可能调控方式。这些发现可以让我们更深入地了解植物基因的进化关系，为下游的机理研究提供丰富的基因资源，进而指导水稻的农业生产。

原文出自 Plants 期刊：https://www.mdpi.com/2887096

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/plants

Plants 期刊介绍

主编：Dilantha Fernando, University of Manitoba, Canada

期刊内容主要涉植物科学领域的研究，目前已被 SCIE、Scopus 等数据库收录。

2023 Impact Factor：4.0

2023 CiteScore：6.5

Time to First Decision：18.2 Days  

Acceptance to Publication：2.8 Days