近日，奧地利科學技術研究所(ISTA)馮小琦教授團隊在Cell發表了題為Extensive N4 Cytosine Methylation is Essential for Marchantia Sperm Function的研究論文。該研究首次證實了4mC在真核生物中的存在，揭示了在地錢精子成熟過程中基因組范圍內編碼區的大規模4mC修飾，保障了精子的正常發育和正常功能，對精子命運的重要決定性，發現并鑒定了負責4mC修飾的真核4mC甲基轉移酶。此研究拓展了真核生物中表觀遺傳學的認知，發現了參與生殖發育過程至關重要的表觀遺傳學新修飾，開創了4mC在真核生物中功能的研究新方向，拓展了表觀遺傳學領域的邊界。

論文通訊作者為現任奧地利科學技術研究所（ISTA），前任英國John Innes Centre (JIC) 的馮小琦教授。James Walker (JIC, 現任職于The Salk Institute)、張靜懿（JIC，現任職于華南農業大學農學院）、劉亞林（JIC，現任職于華南農業大學生命科學學院）和許淑娟（ISTA）為本文共同第一作者。

作為表觀遺傳學的重要修飾，DNA甲基化廣泛存在于原核與真核生物中，并發揮關鍵調控作用。在原核生物中，DNA上胞嘧啶（Cytosine, C）的第四位氮元素可被甲基化修飾形成N4-甲基胞嘧啶（4mC）、第五位碳元素可被甲基化修飾形成C5-甲基胞嘧啶（5mC），腺嘌呤的第六位氮元素可被甲基化修飾形成N6-甲基腺嘌呤（6mA），雖然基因組上甲基化程度不高（大腸桿菌中，約0.5%-0.8%的胞嘧啶，1.5%-2%的腺嘌呤會被甲基化修飾），但DNA甲基化依然發揮著重要的作用，參與調控基因表達和防御反應。然而，在真核生物中，迄今僅發現5mC在基因組上廣泛分布，6mA在單細胞生物中有零星分布，而4mC是否存在則仍有很大爭議。

在真核生物中，DNA甲基轉移酶Dnmt1和Dnmt3介導5mC的甲基化過程，該機制在各物種中高度保守。不同物種的5mC分布有所差異：在脊椎動物中，5mC主要發生在全基因組范圍內的CG位點，約80%的CG在人體組織中被甲基化為5mCG；而在開花植物中，5mC則主要發生在轉座子區域（Transposon Elements, TE），并存在在CG、CHG和CHH（H代表A、C或T）位點。在動植物的發育過程中，5mC水平在很大程度上保持穩定，一旦紊亂常導致嚴重發育異常和疾病。然而，在哺乳動物和開花植物的雄性生殖細胞（精子）發育過程中，5mC會經歷重編程，這對精子成熟至關重要。

地錢精子發育過程中甲基化重編程及4mC作為功能性DNA修飾的作用機制

研究發現，4mC在陸地植物地錢(Marchantia polymorpha)精子發育過程中由一個新發現的甲基轉移酶(Marchantia polymorpha DNA N4 CYTOSINE METHYLTRANSFERASE1a, MpDN4MT1a)修飾生成。該研究還發現精子發育經歷了兩波DNA甲基化重編程：第一波是由MpCMTa和MpDNMT3b調控的5mC重編程，表現為non-CG (CHG和CHH) 位點的全基因組擴張及轉座子區域CG位點甲基化的增強；第二波是由MpDN4MT1a調控的4mCG重編程，特異發生于基因區域(genic region)并在精子成熟后期發生。

于義溟 (ISTA) 、Martin Vickers (JIC) 、歐陽維枝(ISTA) 、Judit Tálas (JIC) 、Liam Dolan (Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology)、Keiji Nakajima (Nara Institute of Science and Technology) 參與了研究。

相關論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00287-9

來源：華南農業大學