易基因：华中农大周道绣团队利用BS-seq揭示水稻雄性配子发生过程DNA甲基化重编程机｜Genome Biol

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在开花植物中，DNA甲基化在配子和合子中部分重编程，但其在植物配子发生过程中的时机和功能意义尚不清楚。DNA甲基化在抑制转座元件（TE）和相关序列中起着关键作用，对于基因表达调控至关重要。

近日，华中农业大学周道绣教授团队利用BS-seq和对应的RNA-seq分析了水稻雄性减数分裂细胞、微孢子和精子中的DNA甲基化，并研究了一组染色质调控因子在这一过程中的功能。研究结果揭示了DNA甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶在CHG甲基化重编程中的不同功能，并表明CHG甲基化重编程对雄配子发生和受精具有功能性意义。相关研究结果以“DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice”为题发表在《Genome Biology》期刊。

标题：DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice（水稻雄性配子发生过程中的DNA甲基化重编程及其功能意义）

期刊：Genome Biology

影响因子：10.1

技术平台：BS-seq、RNA-seq

本研究通过BS-seq分析揭示了水稻在雄性减数分裂之后开始DNA甲基化重编程，非CG甲基化（即CHG和CHH序列，H=A,G或T），特别是CHG位点，首先在小孢子中增强，随后在精子中减少。对水稻CHG甲基转移酶基因CMT3a和CMT3b的功能分析表明，CMT3a在水稻减数分裂细胞中作为主要的CHG甲基转移酶发挥作用，而CMT3b负责小孢子中CHG甲基化的增加。两种组蛋白去甲基化酶JMJ706和JMJ707的功能（去除H3K9me2），可能有助于精子中CHG甲基化的减少。在雄配子发生过程中，CMT3a主要沉默转座元件（TE）和TE相关基因，而CMT3b是抑制参与转录和翻译活动的编码因子基因所必需的。此外，CMT3b在卵细胞中抑制合子基因表达，并参与受精后建立合子表观基因组。综合这些结果表明，在水稻的雄配子发生过程中，DNA甲基化动态重编程，可以区分CMT3a和CMT3b在性细胞中的功能，并强调了DNA甲基化重编程在水稻繁殖过程中的功能意义。

结果图形

（1）非CG甲基化在水稻雄配子发生过程中动态重编程

图1：水稻中雄配子（减数分裂细胞、单细胞小孢子和精子）的DNA胞嘧啶甲基化水平。

整体胞嘧啶甲基化水平小提琴图
甲基化差异的频率分布密度图密度图。
差异甲基化区域（DMRs）的数量
减数分裂细胞（Me）、单细胞小孢子（UM）和精子（S）中mCG、mCHG和mCHH的基因组浏览器视图。

（2）CMT3a和CMT3b在雄配子发生过程中的作用

图2：cmt3a和cmt3b突变对减数分裂细胞、小孢子和精子中DNA甲基化的作用。

RNA-seq分析水稻CMT3a和CMT3b在幼苗（Se）、根（Ro）、减数分裂细胞（Me）、单细胞小孢子（UM）、精子（S）、卵细胞（E）、合子（Z）、受精后1.5天的胚乳核（En）和受精后3天的球形胚胎（GE）中的转录水平（FPKM值）。
野生型和cmt3a及cmt3b突变体的花粉粒经I2-KI染色。
小提琴图比较野生型和cmt3a及cmt3b突变体减数分裂细胞（Me）、单细胞小孢子（UM）和精子（S）的整体胞嘧啶甲基化水平。
cmt3a和cmt3b相对于野生型的差异化甲基化区域（DMR）数量。
维恩图显示cmt3a和cmt3b减数分裂细胞（左）和精子（右）相对于野生型细胞的低CHG DMR重叠情况。
箱线图显示野生型、cmt3a（3a）和cmt3b（3b）细胞中减数分裂细胞（Me）与小孢子（UM）（上）和精子（S）相对于小孢子（UM）（下）的低CHG DMR的DNA甲基化水平。
基因组浏览器截图显示，与减数分裂细胞和精子相比，微孢子中CHG甲基化位点的高甲基化在cmt3b突变体中减少（灰色突出显示）。

（3）组蛋白去甲基化酶JMJ706和JMJ707降低CHG甲基化

图3：jmj706/707突变对雄性性细胞DNA甲基化的影响。

野生型和jmj706/707突变型减数分裂细胞（Me）和精子（S）中整体转座元件（TE）甲基化水平的比较。
jmj706/707突变型与野生型减数分裂细胞（上）和精子（下）（黑线）CHG甲基化差异密度图。
箱线图显示与小孢子（UM）和jmj706/707减数分裂细胞（j67-Me）及精子（j67-S）相比，野生型减数分裂细胞（Me）（上）和精子（S）（下）中50-bp低CHG甲基化区域的DNA甲基化水平。
基因组浏览器截图显示了与小孢子相比，减数分裂细胞（上）或精子（下）中CHG甲基化位点的低甲基化，但在j67突变体中升高。

（4）CMT3a和CMT3b在卵细胞和受精卵DNA甲基化中的作用

图4：cmt3a和cmt3b突变对合子和/或卵细胞DNA甲基化的影响。

野生型和cmt3a、cmt3b突变体精子(S)、卵细胞(E)和合子(Z)中整体TE甲基化水平比较。
与野生型相比，所指突变细胞中差异甲基化区域（DMR）的数量。
维恩图显示与精子（Z-S）（上）或卵细胞（Z-E）（下）相比，合子中高CHG DMR的重叠；以及与野生型合子相比，cmt3b合子中高CHG DMR（3bZ-Z）的重叠。
箱线图显示所指细胞类型中Z-S（上）或Z-E（下）超CHG DMR的DNA甲基化水平。
所指细胞中5个代表性基因的CHG甲基化水平截图。

（5）水稻CMT3b在性细胞基因表达中的作用

图5：cmt3b突变影响了减数分裂细胞和精子中非TE基因的表达。

在cmt3b突变型减数分裂细胞和精子中，与野生型相比差异表达的非TE基因（粉色）和TE相关基因（TEG）（红色）的数量。
在cmt3b突变型减数分裂细胞和精子中，与野生型细胞相比，上调基因与低CHG甲基化基因（DMG）重叠的数量。
基因组浏览器截图显示图b中148（左）和122（右）个基因的甲基化和表达水平的代表性基因。

（6）CMT3b抑制卵细胞中的合子基因

图6：cmt3b突变对卵细胞中合子表达基因的影响。

在野生型合子相对于卵细胞中，差异表达基因的数量。
在cmt3b突变型卵细胞和精子中，与野生型细胞相比，低CHG甲基化基因（DMG）与上调基因的重叠数量。
在三个品种中，合子表达基因的GO富集分析。
在cmt3b突变型卵细胞（3b-E）和合子（3b-Z）中，与野生型卵细胞（E）和合子（Z）相比，416个合子表达基因的转录热图。
在cmt3b突变型卵细胞中上调的几个代表性合子基因的转录热图。
在cmt3b突变型卵细胞中，83个上调基因的GO富集分析，如在(d)中所示。
六个代表性基因的基因组浏览器截图，描述了(d)中描述的基因的甲基化和表达水平。

易小结：

本研究表明在雄性性细胞发生过程中，mCHG（CHG位点的DNA甲基化）水平首先在小孢子中增强，随后在精子中降低到最低水平。CMT3a是体细胞和减数分裂细胞中主要的CHG甲基转移酶，用于沉默TE和TE相关基因，而CMT3b在小孢子中mCHG激增时起作用，抑制与转录和翻译相关基因，并参与受精后合子表观基因组建立。组蛋白H3K9me2去甲基化酶JMJ706和JMJ707介导精子中mCHG降低。这项研究揭示在雄性性细胞发生过程中mCHG的动态重编程，对花粉发育和受精具有重要的功能意义。

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参考文献：

Li X, Zhu B, Lu Y, Zhao F, Liu Q, Wang J, Ye M, Chen S, Nie J, Xiong L, Zhao Y, Wu C, Zhou DX. DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice. Genome Biol. 2024 Apr 2;25(1):84. pii: 10.1186/s13059-024-03222-w. doi: 10.1186/s13059-024-03222-w. PubMed PMID: 38566207.