拟南芥甲硫氨酸合成酶ATMS1参与调控染色质沉默的功能机制研究

In plants, chromatin silencing plays an important role in maintaining genomic stability and regulating gene expression, which could be established by DNA methylation and repressive histone modifications. S-adenosylmethionine (SAM) serves as the universal methyl-group donor for methyltransferases including DNA and histone methyltransferases. SAM originates from methionine metabolism. However the regulatory mechanism of methionine metabolism and its role in chromatin silencing remain poorly understood. By mutant screening and map-based cloning, our previous study identified a transcriptional gene silencing regulator, which encodes methionine synthase (ATMS1) in Arabidopsis. The atms1 mutation releases the silencing of 35S-LUC and endogenous transposons. The effect of atms1 on chromatin silencing is correlated with reduced levels of DNA methylation and H3K9me2. We will further study the mechanism by which ATMS1 regulates DNA methylation and the regulatory role of methionine metabolism on chromatin silencing. Our study makes an important contribution to understanding the complex interplay among metabolism, development, and epigenetic regulation.

染色质沉默在维持基因组稳定性和调控基因表达方面发挥着重要功能，DNA甲基化和组蛋白修饰是维持染色质沉默的主要调控方式。S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是生物体中通用的甲基供体，与DNA和组蛋白的甲基化修饰密切相关。甲硫氨酸（Met）是合成SAM的直接前体，但目前为止并没有直接研究证据能够表明Met与染色质沉默之间的关系。本项目的前期工作通过突变体的筛选和图位克隆基因的方法，鉴定到与转录基因沉默相关的调控因子ATMS1。拟南芥ATMS1基因编码甲硫氨酸合成酶。分析表明，ATMS1调控外源35S-LUC以及内源转座子的表达，并且atms1突变体的全基因组DNA甲基化与组蛋白H3K9me2修饰水平明显低于WT。本项目拟继续深入研究ATMS1参与调控DNA和组蛋白甲基化修饰的分子机理，并探究甲硫氨酸代谢途径与染色质沉默之间的联系。以上研究工作有助于我们理解代谢、发育和表观遗传修饰之间复杂的相互作用关系。

DNA甲基化和组蛋白修饰是调控染色质沉默的重要表观遗传修饰因素，在维持植物基因组稳定性和调控基因表达方面发挥着重要功能。S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是生物体中通用的甲基供体，与DNA和组蛋白的甲基化修饰密切相关。甲硫氨酸（Met）是合成SAM的直接前体，但目前为止并没有直接研究证据能够表明Met与染色质沉默之间的关系。本项目前期工作通过对能够释放35SP-LUC转录基因沉默的拟南芥突变体的筛选，鉴定得到一个染色质沉默过程中的关键调控因子ATMS1，其编码一种甲硫氨酸合成酶，在一碳循环代谢途径中发挥重要功能。ATMS1的突变能够激活外源35SP-LUC基因以及大量内源沉默基因和转座子的表达。基因及转座子表达量的升高与全基因组DNA甲基化（包括CG、CHG与CHH位点）及H3K9me2修饰水平的降低相关。ATMS1的突变也会造成甲硫氨酸含量下降，S-腺苷甲硫氨酸与S-腺苷同型半胱氨酸的比值（SAM/SAH）显著降低。外源添加甲硫氨酸可回补atms1突变体的表观遗传相关表型。ATMS1的两个同源基因，ATMS2和ATMS3不参与维持基因组DNA甲基化和组蛋白修饰的功能。以上研究结果阐明了甲硫氨酸合成酶ATMS1通过调控一碳循环代谢途径，调节DNA和组蛋白甲基化修饰以及转录基因沉默的分子机制。此外，在木本植物杨树中也开展了甲硫氨酸循环代谢途径的关键调控因子基因敲除遗传转化实验，相关研究工作有助于我们理解代谢、发育和表观遗传修饰之间复杂的相互作用关系。