近日，奥地利科学技术研究所(ISTA)冯小琦教授团队在Cell发表了题为Extensive N4 Cytosine Methylation is Essential for Marchantia Sperm Function的研究论文。该研究首次证实了4mC在真核生物中的存在，揭示了在地钱精子成熟过程中基因组范围内编码区的大规模4mC修饰，保障了精子的正常发育和正常功能，对精子命运的重要决定性，发现并鉴定了负责4mC修饰的真核4mC甲基转移酶。此研究拓展了真核生物中表观遗传学的认知，发现了参与生殖发育过程至关重要的表观遗传学新修饰，开创了4mC在真核生物中功能的研究新方向，拓展了表观遗传学领域的边界。
论文通讯作者为现任奥地利科学技术研究所（ISTA），前任英国John Innes Centre (JIC) 的冯小琦教授。James Walker (JIC, 现任职于The Salk Institute)、张静懿（JIC，现任职于华南农业大学农学院）、刘亚林（JIC，现任职于华南农业大学生命科学学院）和许淑娟（ISTA）为本文共同第一作者。
作为表观遗传学的重要修饰，DNA甲基化广泛存在于原核与真核生物中，并发挥关键调控作用。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饰形成N4-甲基胞嘧啶（4mC）、第五位碳元素可被甲基化修饰形成C5-甲基胞嘧啶（5mC），腺嘌呤的第六位氮元素可被甲基化修饰形成N6-甲基腺嘌呤（6mA），虽然基因组上甲基化程度不高（大肠杆菌中，约0.5%-0.8%的胞嘧啶，1.5%-2%的腺嘌呤会被甲基化修饰），但DNA甲基化依然发挥着重要的作用，参与调控基因表达和防御反应。然而，在真核生物中，迄今仅发现5mC在基因组上广泛分布，6mA在单细胞生物中有零星分布，而4mC是否存在则仍有很大争议。
在真核生物中，DNA甲基转移酶Dnmt1和Dnmt3介导5mC的甲基化过程，该机制在各物种中高度保守。不同物种的5mC分布有所差异：在脊椎动物中，5mC主要发生在全基因组范围内的CG位点，约80%的CG在人体组织中被甲基化为5mCG；而在开花植物中，5mC则主要发生在转座子区域（Transposon Elements, TE），并存在在CG、CHG和CHH（H代表A、C或T）位点。在动植物的发育过程中，5mC水平在很大程度上保持稳定，一旦紊乱常导致严重发育异常和疾病。然而，在哺乳动物和开花植物的雄性生殖细胞（精子）发育过程中，5mC会经历重编程，这对精子成熟至关重要。
地钱精子发育过程中甲基化重编程及4mC作为功能性DNA修饰的作用机制
研究发现，4mC在陆地植物地钱(Marchantia polymorpha)精子发育过程中由一个新发现的甲基转移酶(Marchantia polymorpha DNA N4 CYTOSINE METHYLTRANSFERASE1a, MpDN4MT1a)修饰生成。该研究还发现精子发育经历了两波DNA甲基化重编程：第一波是由MpCMTa和MpDNMT3b调控的5mC重编程，表现为non-CG (CHG和CHH) 位点的全基因组扩张及转座子区域CG位点甲基化的增强；第二波是由MpDN4MT1a调控的4mCG重编程，特异发生于基因区域(genic region)并在精子成熟后期发生。
于义溟 (ISTA) 、Martin Vickers (JIC) 、欧阳维枝(ISTA) 、Judit Tálas (JIC) 、Liam Dolan (Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology)、Keiji Nakajima (Nara Institute of Science and Technology) 参与了研究。
相关论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00287-9
文图/农学院
