Cell开创性研究：这是一次超越微生物领域的漫长探索

有没有可能在已知的三种直接针对DNA的标记物中，有一种不存在于微生物领域之外？现在，奥地利科学技术研究所（ISTA）的冯晓琪领导的研究人员已经证明，这种标记物——n4 -甲基胞嘧啶（4mC）——对植物进化中的关键生物——多形肝草（marchantia polymorpha）的精子发育和成熟至关重要。研究结果发表在《细胞》杂志上。

有没有可能在已知的三种直接针对DNA的标记物中，有一种不存在于微生物领域之外？现在，奥地利科学技术研究所（ISTA）的Xiaoqi Feng领导的研究人员已经证明，这种标记物——n4 -甲基胞嘧啶（4mC）——对植物进化中的关键生物——多形肝草（marchantia polymorpha）的精子发育和成熟至关重要。

有时需要一个活化石才能得出一些关于生命和进化的最有趣的发现。作为苔藓的亲戚，地茅是现存最古老的植物之一，也可能是在陆地上定居的最古老的植物。除了在植物从水生生态系统过渡到陆地生态系统中发挥核心作用外，Marchantia仍然使用一种在大多数植物中不再存在的祖先繁殖形式。虽然其他植物已经进化出了独立于水的有性生殖，但Marchantia的精子被释放到飞溅在植物表面的雨水中，并游动给附近的雌性植物施肥。然而，许多分子方面的精子功能至今仍不为人所知。

奥地利科学技术研究所（ISTA）的Xiaoqi Feng团队以这种独特的植物为模型，揭示了未知的分子原理，为有性生殖的进化提供了新的视角。他们的最新发现是开创性的。Feng说：“我们的研究为植物或动物中具有非常重要功能的新DNA标记提供了确凿的证据：它对Marchantia的有性生殖至关重要，特别是影响雄性植物的精子发育。”这一发现可以应用于生物技术，为在不改变潜在DNA序列的情况下调节基因表达开辟了前景。

这是一次超越微生物领域的漫长探索

n4 -甲基胞嘧啶（4mC）是细菌中的一种免疫形式，通过在目标位置添加甲基化学基团来掩盖它们的基因组，使其不受降解外来序列的酶的影响。它是已知的三种DNA标记之一：4mC， 5mC和6mA。由于这些化学标记只是“掩盖”了潜在的遗传密码，而没有使其发生突变，因此它们被称为“表观遗传标记”，基于希腊语前缀epi，意思是“在”、“在”或“在”。虽然4mC和5mC是胞嘧啶核苷酸的化学修饰——dna的组成部分之一——但6ma是唯一针对腺嘌呤核苷酸的修饰。由于4mC从未在植物或动物中得到确凿的记录，因此科学界长期以来一直对它感兴趣。

这一水平“疯狂”

为了破译Marchantia精子功能的分子机制，Feng和她的团队在精子发育过程中区分了两波广泛的DNA甲基化。这两个波实际上覆盖了精子的基因组。他们发现，第一波与5mC相对应，这是一种已经在动物和植物中发现的DNA修饰，针对并沉默所谓的“跳跃基因”。然而，5mC本身并不能解释第二波广泛的甲基化，其目标是分散在编码基因上的两个核苷酸的短序列，即所谓的CG（胞嘧啶-鸟嘌呤）二核苷酸。此外，研究小组还发现，与n4胞嘧啶甲基转移酶（细菌中催化4mC甲基化的酶）序列相似的基因在植物精子发育的同一窗口期表达。该团队是否只是偶然发现了微生物外的4mC酶？

在这一发现的激励下，他们使用了无数的定量技术来证明4mC确实是罪魁祸首。他们发现，在成熟的Marchantia精子中，仅4mC就占了高达15%的甲基化胞嘧啶，而在细菌中，这一比例不到1%。“在使用了一系列结论性的实验方法后，我们可以有把握地说，我们的结果是肯定的，我们在Marchantia精子中检测到的4mC水平令人难以想象。”因此，研究小组证明，在植物精子发育过程中，广泛的5mC和4mC甲基化波是精心安排的。

此外，他们还表明，这些“疯狂”水平的4mC在Marchantia精子中具有关键功能。没有了4mC，植物的精子就不能再竞争受精：它的游动变得更慢，方向性更差，其生育能力急剧下降，即使在极少数成功受精的情况下，植物胚胎的早期发育也会受到影响。

水平基因转移

另一种形式的DNA甲基化，6mA，在被发现是细菌污染之前，被其他研究人员错误地报告在几种生物体中。这给科学家们留下了不好的印象，并导致DNA甲基化领域的审查增加。“使用多种独立的方法来检测DNA甲基化是非常重要的，我们想要绝对确保我们的说法是合理的。但在某种程度上，高水平的4mC对我们的信心有帮助。毕竟，没有细菌携带这么多的甲基化，”Feng说。但4mC最初是如何在马尚蒂亚出现的呢？答案在于在有性生殖之外的不同物种之间转移遗传物质，这是一种被称为水平基因转移（HGT）的进化现象。

据报道，细菌和植物之间的HGT在进化尺度上经常发生。这很可能就是4mC到达Marchantia的方式。从土壤细菌到植物的HGT事件有助于植物从水生环境过渡到陆生环境。“这可能是大自然促进进化的特殊事件之一。遗传物质从细菌到马尚属植物的水平转移对植物非常有用，所以这种特性被保留下来并被选择。”冯解释说。

更多的4mC等待被发现？

到目前为止，苔类植物是唯一一种有确凿证据证明含有4mC的植物。“然而，我们的发现可能不是巧合，”Feng说。事实上，哺乳动物的早期发育阶段通常包括广泛的甲基化重编程，完全消除和重建DNA表观遗传修饰。“因此，我们可能需要研究其他动植物的特定发育窗口。4mC可能也在那里，等着被发现。”

目前的研究揭示了在自然界进化的有性生殖的基本功能，并可能在生物技术中找到应用。通过剖析Marchantia中4mC表观遗传修饰的精确功能，这种分子机制可能被用作表观遗传基因组编辑的工具，即在不改变DNA序列的情况下靶向基因表达的方法。