植物DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)展

趙倩 王巍 孫野青

（大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境系統(tǒng)生物學(xué)研究所，大連 116026）

植物DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)展

趙倩 王巍 孫野青

（大連海事大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境系統(tǒng)生物學(xué)研究所，大連 116026）

DNA甲基化是真核生物基因組最重要的修飾方式之一。就植物DNA甲基化模式、建立、維持機(jī)制及其特征進(jìn)行了綜述，并且著重解釋了植物DNA甲基化影響基因表達(dá)的機(jī)制?？偨Y(jié)了在脅迫環(huán)境下單基因甲基化狀態(tài)發(fā)生改變對(duì)于基因表達(dá)的影響，并對(duì)當(dāng)前利用高通量測(cè)序技術(shù)分析植物全基因組范圍內(nèi)DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)分析研究進(jìn)行綜述。

植物；DNA甲基化；基因表達(dá)；脅迫環(huán)境

表觀遺傳學(xué)（epigenetics）是1942年由Waddingtong［1］首次提出，主要研究在DNA序列沒(méi)有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生改變，并且這種改變可以隨著細(xì)胞的有絲分裂及減數(shù)分裂遺傳下去的現(xiàn)象，其中以DNA甲基化最為常見。

DNA甲基化在植物體中有兩個(gè)關(guān)鍵作用：一是，保護(hù)基因組免受外來(lái)插入序列的侵害；二是調(diào)節(jié)基因表達(dá)［2，3］。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，植物DNA甲基化與基因表達(dá)存在一定的關(guān)聯(lián)性。本文首先就植物DNA甲基化的形式，建立與維持機(jī)制進(jìn)行綜述，進(jìn)而闡述植物DNA甲基化影響基因表達(dá)的機(jī)制，對(duì)逆境脅迫下植物單個(gè)基因DNA甲基化對(duì)基因表達(dá)的影響，以及當(dāng)前利用高通量測(cè)序技術(shù)分析植物全基因組范圍內(nèi)DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行歸納，以更深入理解DNA甲基化效應(yīng)機(jī)制。

1 植物基因組中的DNA甲基化

1.1 植物DNA甲基化的模式

DNA復(fù)制完成后，甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）催化S-腺苷酰-L-甲硫氨酸（SAM）上的甲基基團(tuán)連接到DNA分子的胞嘧啶堿基上。

植物基因組DNA甲基化主要發(fā)生在對(duì)稱序列CG富含區(qū)以及高度重復(fù)序列，主要集中在著絲粒重復(fù)區(qū)、核糖體RNA編碼重復(fù)區(qū)以及轉(zhuǎn)座子元件序列等區(qū)域［4］。甲基化有3種主要修飾形式，其中5'-5mCG-3'是最普遍也是穩(wěn)定性最佳的形式；其次是5'-5mCNG-3'（N代表任何核苷酸）和5'-5mCHH-3'位點(diǎn)（不對(duì)稱位點(diǎn)，H代表A、C或T）修飾形式，后兩者發(fā)生頻率較低［5］。

植物基因組DNA甲基化產(chǎn)生方式主要有兩種：一是維持甲基化：在DNA復(fù)制過(guò)程中，DNA甲基化酶識(shí)別半甲基化的DNA子鏈，催化新生鏈相應(yīng)位置發(fā)生甲基化修飾；二是從頭甲基化：DNA甲基化酶催化母鏈上未發(fā)生甲基化的胞嘧啶位點(diǎn)在子鏈上進(jìn)行甲基化修飾［6］。

1.2 植物DNA甲基化的建立及維持機(jī)制

在對(duì)植物體的研究中發(fā)現(xiàn)，DNA甲基可以被小分子RNA介導(dǎo)，該過(guò)程被稱之為RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RNA-depended DNA methylation，RdDM）［7，8］。參與RdDM過(guò)程的小RNA由RNAi過(guò)程產(chǎn)生。植物細(xì)胞核內(nèi)，在RNA依賴的RNA聚合酶的作用下使單鏈RNA形成雙鏈RNA或插入重復(fù)序列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物形成雙鏈RNA，隨后在DCL3（Dicer-like3）的作用下，這些雙鏈RNA被加工成24 nt的RNA信號(hào)分子，通過(guò)作用于不同的甲基轉(zhuǎn)移酶導(dǎo)致基因不同序列位點(diǎn)發(fā)生DNA甲基化（圖1）。RdDM導(dǎo)致RNADNA序列同源區(qū)域幾乎所有的胞嘧啶高度從頭甲基化。

植物中鑒定到3類結(jié)構(gòu)不同的胞嘧啶甲基轉(zhuǎn)移酶，分別是MET，CMT和DRM，這3類酶負(fù)責(zé)維持DNA甲基化［8，9］（圖1）。甲基轉(zhuǎn)移酶MET（methyltransferaseⅠ）主要功能是在重復(fù)及單拷貝的DNA序列中維持CG雙核苷酸中的胞嘧啶甲基化。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因DDMⅠ（Decrease in DNA MethylationⅠ）突變也會(huì)導(dǎo)致CG位點(diǎn)DNA去甲基化，說(shuō)明METⅠ和DDMⅠ對(duì)維持CG位點(diǎn)完整的DNA甲基化狀態(tài)是必需的；植物特異的染色質(zhì)甲基轉(zhuǎn)移酶CMT3（chromomethylation 3）主要維持CNG以及CHH核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化；結(jié)構(gòu)域重排甲基轉(zhuǎn)移酶（domain rearranged methylation，DRM）維持失活轉(zhuǎn)座子和轉(zhuǎn)基因沉默位點(diǎn)的胞嘧啶甲基化修飾。

圖1 由RNA介導(dǎo)的（RdDM）甲基化圖例［8］

1.3 植物DNA甲基化的特征

植物DNA甲基化具有種屬差異性。所有植物基因組中都存在不同程度的DNA甲基化，高等植物基因組中約有6%-30%的胞嘧啶發(fā)生甲基化，DNA甲基化的發(fā)生比例因植物種類不同而有差異，以CG甲基化為例，擬南芥比例為22.3 %、楊樹為41.9%、水稻為59.4 %［10］。

植物DNA甲基化具有組織特異性。研究報(bào)道，在番茄葉片中CG、CNG和CHH的甲基化水平分別為85.51%、56.15%及8.63%，但是在番茄果實(shí)中3種甲基化水平分別為73.97%-79.16%、51.99-53.88%及13.52-14.20%［11］，表明同一物種不同組織的DNA甲基化水平有差異。

植物DNA甲基化具有發(fā)育階段特異性。植物同一組織的不同發(fā)育時(shí)期或同一類型細(xì)胞不同發(fā)育階段，基因組DNA甲基化比例有所不同。報(bào)道顯示，在白楊樹中，春天生長(zhǎng)及冬天冬眠時(shí)，植株分別出現(xiàn)整體范圍內(nèi)的高甲基化及低甲基化水平［12］；在番茄果實(shí)成熟過(guò)程中，CG甲基化水平降低［11］。這些結(jié)果說(shuō)明DNA甲基化在植物發(fā)育過(guò)程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

1.4 植物與哺乳動(dòng)物DNA甲基化的區(qū)別

植物和哺乳動(dòng)物有著不同的序列特異性，不同的甲基化酶和迥異的甲基化遺傳特性，具體區(qū)別如表1所示［13-16］。在植物中，DNA甲基化狀態(tài)和甲基化的變換往往能忠實(shí)地被后代繼承［17，18］，而在哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化在胚胎發(fā)育的早期需要一個(gè)全部抹除和重新建立的過(guò)程［19］。

表1 植物DNA甲基化與哺乳動(dòng)物的區(qū)別［20］

2 DNA甲基化調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制

近年來(lái)，隨著 對(duì)DNA甲基化的深入研究，發(fā)現(xiàn)DNA甲基化對(duì)于調(diào)節(jié)基因表達(dá)有3種可能機(jī)制［21］，詳細(xì)介紹如下。

2.1 DNA甲基化干擾轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合

在基因組中，含有CpG位點(diǎn)的啟動(dòng)子序列位于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的大溝內(nèi)，此處也是眾多蛋白轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合的部位。該處胞嘧啶發(fā)生甲基 化后，對(duì)甲基化位點(diǎn)敏感的轉(zhuǎn)錄因子如堿性磷酸酶（AP2）、周期性AMP依賴啟動(dòng)子（CAREB）、轉(zhuǎn)錄因子2（E2F2）、反式作用因子（NFκB）無(wú)法與相應(yīng)的識(shí)別位點(diǎn)正常結(jié)合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄無(wú)法啟動(dòng)，從而干擾相關(guān)基因的表達(dá)［22］。

2.2 甲基CpG結(jié)合蛋白阻礙轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合

2.3 染色體結(jié)構(gòu)改變 調(diào)控轉(zhuǎn)錄活性

DNA甲基化可以改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，抑制基因表達(dá)。染色質(zhì)構(gòu)型的改變伴隨著組蛋白的乙?；c去乙酰化過(guò)程。DNA甲基化不會(huì)引起異染色質(zhì)凝聚，但是可以導(dǎo)致組蛋白H3，H4氨基端賴氨酸殘基去乙?；?，影響核小體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)DNA甲基化改變組蛋白H1的連接作用從而調(diào)節(jié)基因活性［24］。此外，DNA甲基化通過(guò)阻止轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)入以誘導(dǎo)染色質(zhì)失活的方式防 止染色質(zhì)活化。

3 植物DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性研究

目前，對(duì)于植物DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性研究主要集中在兩個(gè)方 面：外界環(huán)境脅迫下單個(gè)基因的甲基化狀態(tài)改變及對(duì)應(yīng)的基因表達(dá)改變的分析；通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)行全基因組甲基化測(cè)序和表達(dá)測(cè)序，從而進(jìn)行兩者關(guān)聯(lián)性分析。

3.1 脅迫下植物特定基因位點(diǎn)DNA甲基化改變影響基因表達(dá)

目前，大量 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了脅迫環(huán)境引起的單個(gè)基因的DNA甲基化狀態(tài)或程度的改變影響了對(duì)應(yīng)基因的表達(dá)。相關(guān)的脅迫環(huán)境研究主要包括溫度脅迫，化學(xué)試劑脅迫、金屬脅迫、病原菌脅迫及輻射脅迫等?，F(xiàn)對(duì)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

3.1.1 溫度脅迫 研究發(fā)現(xiàn)，在低溫處理玉米時(shí)分離到一個(gè)低溫特異表達(dá)基因ZmMⅠ1，該基因片段含有類似逆轉(zhuǎn)座子的基因序列，并且DNA甲基化程度下降且在低溫下特異轉(zhuǎn)錄表達(dá)。推測(cè)脅迫下基因編碼區(qū)發(fā)生去甲基化，導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)較為松散，進(jìn)而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)［25］。另有研究發(fā)現(xiàn)，離體煙草葉片在低溫處理后，編碼類甘油磷酸酯酶蛋白的基因NtGPDL發(fā)生去甲基化，基因表達(dá)上調(diào)［26］。華揚(yáng)等的研究證實(shí)在5℃下處理水稻48 h，利用甲基化敏感擴(kuò)增多態(tài)性技術(shù)（methylation sensitive amplification polymorphism，MSAP）找到了一系列甲基化差異片段，其中發(fā)現(xiàn)CIDM7片段在冷脅迫后去甲基化，并且利用Northern技術(shù)證明CIDM7在冷處理后表達(dá)增加［27］。溫度升高，擬南芥中編碼基因At3g50770甲基化水平降低，同時(shí)基因表達(dá)水平增高。遺憾的是，在編碼基因At5g43260中并未觀察到甲基化水平與基因表達(dá)的相關(guān)性［28］。這表明環(huán)境刺激下DNA甲基化的改變可以作為控制許多基因表達(dá)的開關(guān)，通過(guò)去除基因DNA甲基 化而對(duì)逆境做出響應(yīng)。

藥動(dòng)學(xué)(PK)是臨床藥理學(xué)研究中藥物作用機(jī)制及新型藥物研究中必要的研究方向,其實(shí)驗(yàn)流程為:給藥→采集血樣或組織→樣品處理、分析、測(cè)定→數(shù)據(jù)處理。在藥動(dòng)學(xué)研究的定量分析與定性分析中,現(xiàn)代色譜技術(shù)都發(fā)揮了重要作用,在定量分析中,人們常以 HPLC和液質(zhì)聯(lián)用,來(lái)測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)代謝物在血漿和尿液中的濃度,構(gòu)建藥物變化規(guī)律模型,繼而計(jì)算出各項(xiàng)藥動(dòng)學(xué)參數(shù);在定性分析中,人們常利用色譜技術(shù)來(lái)進(jìn)行代謝產(chǎn)物的分析、鑒定、提純,明確藥物的有效成分及代謝產(chǎn)物。

3.1.2 化學(xué)試劑脅迫 5-氮胞苷（5-azacytidine）甲基化抑制劑處理水稻后，獲得了一個(gè)遺傳穩(wěn)定的矮化突變株Line-2，利用MSAP技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)Line-2突變系較其野生型具有特異的類似于水稻白葉枯病抗性基因Xa21的克隆Xa21G，該基因啟動(dòng)子區(qū)在野生型中胞嘧啶完全甲基化，但是在Line-2突變系中完全去甲基化，同時(shí)Xa21G在Line-2突變系中高表達(dá)，分析可能是由于基因啟動(dòng)子區(qū)去甲基化促進(jìn)了Xa21G的高表達(dá)［17］。Finnegan等［29］利用去甲基化試劑處理水稻種子使其DNA甲基化水平降低，使植株組織中正常情況下不表達(dá)的基因啟動(dòng)表達(dá)，植株出現(xiàn)矮化、葉片變小等一系列改變。另有報(bào)道稱利用5-氮胞苷處理紫蘇，紫蘇在未經(jīng)春化處理后開花，同時(shí)發(fā)現(xiàn)控制開花的基因有去甲基化現(xiàn)象［30］。擬南芥中的At1g13470是一個(gè)通過(guò)RdDM抑制基因表達(dá)的類似轉(zhuǎn)座子沉默的基因，水楊酸激素（salicylic acid）處理之后，呈現(xiàn)出明顯的去甲基化現(xiàn)象，并且基因表達(dá)也隨之上調(diào)［31］。擬南芥受到二氧化硫脅迫之后，基因組胞嘧啶出現(xiàn)高甲基化現(xiàn)象，1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶6和腈水解酶2基因的啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平降低，并且轉(zhuǎn)錄水平升高［32］。有研究表明，SO2脅迫后擬南芥植株地上組織細(xì)胞中NIT2基因的編碼區(qū)甲基化狀態(tài)未變，而啟動(dòng)子區(qū)的多個(gè)CG和CHH位點(diǎn)去甲基化，胞嘧啶總的甲基化水平降低，同時(shí)NIT2 基因轉(zhuǎn)錄上調(diào)，證實(shí)了逆境脅迫響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答與啟動(dòng)子序列的甲基化特征有關(guān)，表明DNA 甲基化修飾在植物脅迫應(yīng)答過(guò)程 中發(fā)揮了重要作用［33］。以上研究結(jié)果都進(jìn)一步證實(shí)了甲基化的去除對(duì)相應(yīng)調(diào)控基因表達(dá)的促進(jìn)作用。

李雪林等（Li）［34］研究發(fā)現(xiàn)高鹽脅迫誘導(dǎo)棉花根中抗逆相關(guān)基因陸地棉cDNA克隆GH_TMO和海島棉gypsy反轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)錄酶基因DNA序列去甲基化，編碼基因表達(dá)水平升高，作者認(rèn)為NaCl 脅迫誘導(dǎo)上述基因發(fā)生去甲基化而活化基因表達(dá)以適應(yīng)逆境脅迫。另有研究報(bào)道利用鹽脅迫處理水稻，細(xì)胞周期進(jìn)程受到干擾，推測(cè)可能是基因通過(guò)升高DNA甲基化水平而關(guān)閉了DNA復(fù)制啟動(dòng)與DNA損傷修復(fù)基因的表達(dá)，使細(xì)胞生長(zhǎng)與分裂延遲［35］。

3.1.3 金屬離子脅迫 目前研究多集中在金屬離子脅迫對(duì)植物DNA甲基化水平的影響上，有報(bào)道研究鋁離子脅迫離體煙草葉片，重亞硫酸鹽處理DNA后測(cè)序發(fā)現(xiàn)NtGPDL基因啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化狀態(tài)未發(fā)生改變，基因編碼區(qū)部分CG位點(diǎn)迅速發(fā)生去甲基化，且基因表達(dá)量隨之上調(diào)［26］。推測(cè)NtGPDL基因去甲基化可能影響了染色質(zhì)構(gòu)造，也說(shuō)明脅迫環(huán)境下基因表達(dá)調(diào)控不局限于依賴啟動(dòng)子區(qū)甲基化狀態(tài)改變，也可以通過(guò)改變編碼區(qū)的甲基化程度從而使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松弛進(jìn)行調(diào)控基因表達(dá)。有研究發(fā)現(xiàn)利用3 mmol/L Pb（NO3）2處理玉米12 h、24 h和48 h與對(duì)照組比較，在基因區(qū)域上游2 000 bp和下游2 000 bp的臨近啟動(dòng)子區(qū)的基因表達(dá)水平與DNA甲基化水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。其中，AP2/ERF、zinc finger和leucine-rich repeat基因發(fā)生去甲基化，同時(shí)基因表達(dá)水平上升［36］。

3.1.4 生物脅迫 病原菌應(yīng)答基因NtAlix1在正常煙草葉片上不表達(dá)，編碼區(qū)基因高度甲基化。在人工接種煙草花葉病毒（TMV）之后，NtAlix1基因發(fā)生去甲基化，并且隨時(shí)間呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，并且基因表達(dá)量也隨之上調(diào)，作者認(rèn)為在外部脅迫作用下DNA去甲基化可活化染色質(zhì)并且促進(jìn)基因高表達(dá)，NtAlix1基因甲基化狀態(tài)可能作為一個(gè)基因表達(dá)的開關(guān)存在［37］。

3.1.5 輻射脅迫 本課題組長(zhǎng)期致力于研究空間輻射環(huán)境下植物DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性。經(jīng)第20顆返回式科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星搭載的松粳6號(hào)水稻種子，運(yùn)用MSAP技術(shù)以及雙向電泳技術(shù)對(duì)水稻葉片DNA位點(diǎn)甲基化狀態(tài)及蛋白表達(dá)水平進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，盡管單株水稻存在個(gè)體差異，但是DNA位點(diǎn)甲基化狀態(tài)與蛋白表達(dá)結(jié)果表現(xiàn)出一致性：在以蛋白質(zhì)表達(dá)量下調(diào)為主的單株材料中，其DNA甲基化水平以甲基化水平上調(diào)為主；在以蛋白表達(dá)量上調(diào)為主的單株材料中，其DNA甲基化水平上以DNA去甲基化變化為主；在蛋白表達(dá)量沒(méi)有主要變化趨勢(shì)的單株材料中，其DNA甲基化水平上甲基化變化和去甲基化變化也基本持平［38］。本課題組在前期研究中也發(fā)現(xiàn)，空間飛行和模擬重離子輻射都能引起基因編碼區(qū)的DNA甲基化變化，而且部分編碼區(qū)發(fā)生甲基化變化的對(duì)應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄水平也發(fā)生了變化：發(fā)現(xiàn)熱休克蛋白DNAJ以及分子伴侶家族蛋白對(duì)應(yīng)基因位點(diǎn)去甲基化，兩者基因表達(dá)均上調(diào)；與核酸代謝相關(guān)的蛋白DNA胞嘧啶脫氨基酶對(duì)應(yīng)基因位點(diǎn)發(fā)生甲基化，其基因表達(dá)下調(diào)。推測(cè)空間環(huán)境可能是通過(guò)改變DNA甲基化狀態(tài)改變了基因組的穩(wěn)定性進(jìn)而影響基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)狀況［20］。

逆境脅迫下，DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳現(xiàn)象，核苷酸序列未發(fā)生改變，而基因表達(dá)改變，是與基因活性開啟和關(guān)閉密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，參與了應(yīng)答 逆境脅迫的生命活動(dòng)［2，39］。逆境脅迫下，植物DNA甲基化水平上調(diào)抑制基因表達(dá)，推測(cè)可能會(huì)降低常規(guī)新陳代謝的速率；特定抗性基因DNA去甲基化活化基因表達(dá)，推測(cè)可能是活化染色質(zhì)，使抗性基因表達(dá)上調(diào)，協(xié)助植物渡過(guò)逆境。

3.2 基于全基因組測(cè)序的植物DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性研究

全基因組甲基化分析采用的方法主要包括甲基化DNA免疫共沉淀技術(shù)（methylated DNA immunoprecipitation sequencing，MeDIP-seq）或者全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序技術(shù)（whole genome bisulfite sequencing，BS-seq），同時(shí)采用數(shù)字基因表達(dá)譜技術(shù)（digital gene expression profiling，DGE）或者轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)（transcriptome sequencing，RNA-seq）分析基因表達(dá)情況［40，41］，將兩者聯(lián)合分析討論，分析基因組甲基化水平與基因表達(dá)水平的關(guān)聯(lián)性［42］。

3.2.1 擬南芥DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性 利用上述方法，在擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)，中度表達(dá)基因最有可能被甲基化，而高表達(dá)及低表達(dá)基因最不易被甲基化；且DNA甲基化阻礙轉(zhuǎn)錄延伸［4］。另一研究進(jìn)行的更細(xì)致分析表明，基因編碼區(qū)甲基化的基因表達(dá)水平明顯高于未甲基化的基因，但是啟動(dòng)子區(qū)甲基化的基因表達(dá)水平普遍低于未甲基化的基因［43］。

擬南芥met1突變體中，CG位點(diǎn)的甲基化水平降低，特異性誘導(dǎo)31個(gè)基因高表達(dá)，突變體對(duì)病原菌的抗性提高，表明這31個(gè)基因很可能與植物抗逆相關(guān)。在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中用病原菌對(duì)擬南芥進(jìn)行處理并分析了基因組的甲基化狀態(tài)變化，全基因組甲基化測(cè)序圖譜顯示有大量脅迫誘導(dǎo)的甲基化多態(tài)性位點(diǎn)出現(xiàn)，包括抗逆相關(guān)基因、轉(zhuǎn)座子和一些重復(fù)序列，其中很多與mRNA測(cè)序得到的表達(dá)差異基因密切相關(guān)，作者推測(cè)在一定程度上，擬南芥植株為了響應(yīng)環(huán)境刺激，可以通過(guò)DNA甲基化狀態(tài)的改變調(diào)節(jié)基因表達(dá)［31］。

3.2.2 水稻DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性 有課題組研究了兩種水稻（耕種水稻Oryza sativa spp. japonica、indica及 野 生 稻 Oryza rufipogon、Oryza nivara）孕穗期的基因組甲基化水平及其對(duì)基因表達(dá)的影響。采用了全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序技術(shù)，測(cè)序深度為4.54-13.5倍，基因表達(dá)分析采用數(shù)字基因表達(dá)譜技術(shù)。結(jié)果與擬南芥的研究類似，即啟動(dòng)子區(qū)甲基化抑制基因表達(dá)，并且編碼區(qū)甲基化與基因表達(dá)呈正相關(guān)，同時(shí)在基因轉(zhuǎn)錄末端（transcriptional termination region，TTRs）DNA甲 基化可以明顯抑制基因表達(dá)，甚至對(duì)于基因表達(dá)的影響比啟動(dòng)子區(qū)甲基化更強(qiáng)烈［44］。

3.2.3 楊樹DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性 Liang等［45］將楊樹（populus trichocarpa）基因按照表達(dá)水平分為了4類：高表達(dá)、中度表達(dá)、低表達(dá)和沉默基因。研究發(fā)現(xiàn)，沉默基因與表達(dá)基因相比較，有明顯的高甲基化水平，說(shuō)明基因沉默可能是由于高甲基化引起的。在表達(dá)基因中，基因編碼區(qū)域與上游區(qū)域甲基化水平和基因表達(dá)呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)；然而，在基因轉(zhuǎn)錄起始位置（transcriptional start region，TSSs）和TTRs以及下游區(qū)域甲基化水平和基因表達(dá)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)?；蚓幋a區(qū)域甲基化基因比未甲基化基因有明顯的高表達(dá)說(shuō)明在基因編碼區(qū)域基因表達(dá)和甲基化呈現(xiàn)正相關(guān)性。在TSS上游100 bp，DNA甲基化阻礙基因表達(dá)；在TSS上游100-2 000 bp及基因編碼區(qū)域，DNA甲基化與基因表達(dá)呈現(xiàn)正相關(guān)。用干旱脅迫處理?xiàng)顦?，沉默基因的甲基化水平明顯上升。TSSs上游100 bp基因甲基化水平上升，上游2 000 bp未甲基化的基因的基因表達(dá)水平降低。下游2 000 bp基因在干旱處理后基 因表達(dá)水平上升。基因編碼區(qū)域甲基化及未甲基化基因的表達(dá)都沒(méi)有明顯改變。

3.2.4 大豆DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性 研究將大豆（glycine max，cultivar Heinong44）基因按照表達(dá)水平分為了7類，大豆的低表達(dá)基因啟動(dòng)子區(qū)CG、CHG的甲基化水平較高，CHH的甲基化水平相對(duì)較低。在基因編碼區(qū)域，中等程度表達(dá)的基因有更高的CG甲基化水平，低表達(dá)的基因上CHG、CHH的甲基化水平高。這些結(jié)果暗示基因編碼區(qū)域的CG甲基化與中等程度表達(dá)的基因有關(guān)聯(lián)，同時(shí)CHG、CHH甲基化會(huì)導(dǎo)致基因沉默［46］。

3.2.5 玉米DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性 有研究分析玉米（Zea mays）自交系478和自交系58的幼苗DNA甲基化改變與基因表達(dá)變化的關(guān)系。兩種玉米品系在同源相同基因中有119個(gè)差異表達(dá)基因，差異甲基化區(qū)域在這119個(gè)基因的上游2 000 bp區(qū)域及基因內(nèi)部有富集，在基因下游2 000 bp區(qū)域未發(fā)現(xiàn)差異甲基化區(qū)域富集現(xiàn)象。這一結(jié)果說(shuō)明育種過(guò)程中啟動(dòng)子區(qū)域和基因內(nèi)部的基因甲基化變異可以影響基因表達(dá)水平［47］。在相同區(qū)域中，有2 211個(gè)差異甲基化區(qū)域，在11個(gè)其上游2 000 bp區(qū)域有差異甲基化區(qū)域的差異表達(dá)基因中，8個(gè)基因表達(dá)與甲基化變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；在10個(gè)其基因內(nèi)部有差異甲基化區(qū)域的差異表達(dá)基因中，6個(gè)基因表達(dá)與甲基化變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；在其中11個(gè)上述基因中，有8個(gè)基因表達(dá)上升，DNA甲基化水平下降。同時(shí)，Eichten等［48］的研究也證實(shí)了上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)差異基因的表達(dá)模式與DNA甲基化改變負(fù)相關(guān)。

基于全基因組測(cè)序的植物DNA甲基化與基因表達(dá)的研究發(fā)現(xiàn)，在基因不同區(qū)域上，兩者關(guān)聯(lián)性存在差異，植物基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化與基因表達(dá)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；但是編碼區(qū)基因甲基化與基因表達(dá)的關(guān)系在不同物種間有差異，在玉米中，DNA甲基化與基因表達(dá)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性；在水稻、擬南芥和楊樹中DNA甲基化與基因表達(dá)呈現(xiàn)正相關(guān)性，在大豆中中等程度表達(dá)的基因有更高的CG甲基化水平，而低表達(dá)的基因上CHG、CHH的甲基化水平高；在基因轉(zhuǎn)錄末端，水稻中DNA甲基化與基因表達(dá)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。這一結(jié)果體現(xiàn)了植物DNA甲基化與基因表達(dá)之間的復(fù)雜關(guān)系。

同時(shí)，這一結(jié)果與上述脅迫下單個(gè)基因甲基化與表達(dá)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的結(jié)論并不完全一致，造成這一現(xiàn)象的原因是，研究單個(gè)基因甲基化狀態(tài)所選取的基因位置比較隨機(jī)（各個(gè)實(shí)驗(yàn)選取啟動(dòng)子區(qū)或者編碼區(qū)并不統(tǒng)一［49］）。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，我們可以更加細(xì)致得觀察基因各個(gè)區(qū)域甲基化與基因表達(dá)的關(guān)系，從而可以更加準(zhǔn)確翔實(shí)地總結(jié)基因甲基化與基因表達(dá)的關(guān)聯(lián)性。

4 結(jié)語(yǔ)

在目前研究中，對(duì)植物DNA甲基化的建立和維持機(jī)制以及對(duì)植物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)已經(jīng)很清楚。但是，針對(duì)植物DNA甲基化的狀態(tài)對(duì)基因表達(dá)的影響的認(rèn)識(shí)還非常少，尤其是脅迫處理下，植物DNA甲基化的改變對(duì)于基因表達(dá)的影響機(jī)制尚不完全清楚。DNA甲基化是有機(jī)體極為重要的調(diào)控方式［15，50］，植物DNA甲基化影響基因表達(dá)的研究進(jìn)展揭示了兩者之間可能存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是植物如何通過(guò)DNA甲基化的改變影響基因表達(dá)的研究尚處于起步階段，亟待深入研究。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Review on the Correlation between DNA Methylation and Gene Expression in Plant

ZHAO Qian WANG Wei SUN Ye-qing
（Institute of Environmental System Biology，College of Environmental Science and Engineering，Dalian Maritime University，Dalian，116026）

DNA methylation is one of the most important modification of eukaryotic genomes. This article reviews the patterns，establishment and maintaining mechanisms of plant DNA methylation，while focusing on the explanation of affecting mechanism of plant DNA methylation on gene expression and regulation. This article summarizes the effects on gene expression caused by the changes of DNA methylation in plant under adversity stress，and the correlation between plant DNA methylation in the whole genome and gene expression by high-throughput sequencing technologies.

plant；DNA methylation；gene expression；stress environment

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.04.002

2015-08-08

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（3132013089）

趙倩，女，博士研究生，研究方向：空間環(huán)境生物學(xué)效應(yīng)；E-mail：zhaoqiandlmu@163.com

孫野青，女，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向：環(huán)境系統(tǒng)生物學(xué)；E-mail：yqsun@dlmu.edu.cn