植物中罕见DNA标记的发现挑战了之前的假设

难道只有三个已知的直接靶向DNA的标记之一不存在于微生物领域之外吗？现在，由奥地利科学技术研究所（ISTA）的Xiaoqi Feng领导的研究人员已经证明，这种标记物——N4甲基胞嘧啶（4mC）——对植物进化中的关键生物——多形马钱草的精子发育和成熟至关重要

研究结果发表在Cell上

有时需要活化石才能对生命和进化做出一些最有趣的发现。苔类植物Marchantia是苔藓的近亲，是现存最古老的植物形式之一，可能是最古老的陆地植物谱系

除了在植物从水生生态系统向陆地生态系统的过渡中发挥核心作用外，Marchantia还使用了一种在大多数植物中不再存在的祖先繁殖形式

尽管其他植物已经进化出独立于水的有性生殖，但Marchantia精子被释放到溅在植物表面的雨滴中，并游动以使附近的雌性植物受精。然而，迄今为止，Marchantia精子功能的许多分子方面仍然未知

奥地利科学技术研究所（ISTA）的冯晓琪领导的研究小组利用这种独特的植物作为模型，揭示了尚不清楚的分子原理，为有性生殖的进化提供了新的线索

“我们的研究为植物或动物中具有非常重要功能的新DNA标记提供了确凿的证据：它对Marchantia的有性生殖至关重要，特别是影响雄性植物的精子发育，”冯说。这些发现可能在生物技术中得到应用，为在不改变潜在DNA序列的情况下调节基因表达开辟了前景

在微生物领域之外的长期搜索

N4甲基胞嘧啶（4mC）是细菌的一种免疫形式，通过在目标位置添加甲基化学基团来伪装其基因组，使其免受降解外源序列的酶的影响。它是已知的三种DNA标记之一：4mC、5mC和6mA。由于这些化学标记只“掩盖”了潜在的遗传密码，而没有使其发生突变，因此它们被称为“表观遗传标记”，基于希腊语前缀epi，意思是“超过”、“外部”或“周围”。

虽然4mC和5mC是胞嘧啶核苷酸的化学修饰，胞嘧啶核苷酸是DNA的组成部分之一，但6mA是唯一靶向腺嘌呤核苷酸的标记。由于它从未在植物或动物中得到确凿的记录，4mC长期以来一直引起科学界的兴趣

这些水平是“疯狂的”，但对于敏捷的精子来说是必要的。在探索Marchantia精子功能的分子机制时，冯和她的团队区分了精子发育过程中两波广泛的DNA甲基化。这两个波实际上覆盖了精子的基因组

他们表明，第一波对应于5mC，这是一种在动物和植物中已知的DNA修饰，靶向并沉默所谓的“跳跃基因”。

然而，仅靠5mC无法解释第二波广泛甲基化，其靶向散布在编码基因上的两个核苷酸的短序列，即所谓的CG（胞嘧啶鸟嘌呤）二核苷酸

此外，研究小组还表明，与N4胞嘧啶甲基转移酶（在细菌中催化4mC甲基化的酶）序列相似的基因在植物精子发育的同一窗口中表达。该团队是否只是在微生物之外偶然发现了4mC的酶

受这一发现的启发，他们使用了无数的定量技术来证明4mC确实是罪魁祸首。他们发现，在成熟的Marchantia精子中，仅4mC就导致了高达15%的甲基化胞嘧啶，而在细菌中，这一比例不到1%。“我们在Marchantia精子中检测到的4mC水平令人难以置信。”

因此，研究小组证明，在植物的精子发育过程中，广泛的5mC和4mC甲基化波是精心策划的。此外，他们还表明，这些“疯狂”的4mC水平在Marchantia精子中起着关键作用

没有4mC，植物的精子就无法再竞争受精：它的游泳速度变慢，方向性变差，生育能力急剧下降，即使在极少数成功受精的情况下，植物胚胎的早期发育也会受到影响

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水平基因转移

在检测到细菌污染之前，其他研究人员在几种生物体中错误地报告了另一种形式的DNA甲基化，6mA。这给科学家们留下了不好的印象，并导致对DNA甲基化领域的审查增加

“使用多种独立的方法检测DNA甲基化非常重要，我们希望绝对确保我们的说法是合理的。但在某种程度上，4mC的高水平有助于我们的信心。毕竟，没有细菌携带如此多的甲基化，”冯说

但是4mC首先是如何在Marchantia出现的呢？答案在于在有性生殖之外的不同物种之间转移遗传物质，这是一种称为水平基因转移或HGT的进化现象

据报道，HGT在细菌和植物之间经常发生——在进化尺度上。这很可能就是4mC到达Marchantia的方式。从土壤细菌到植物的HGT事件有助于植物从水生环境过渡到陆地环境

“这可能是大自然推动进化的特殊事件之一。遗传物质从细菌到Marchantia的水平转移对植物非常有用，因此这种特性得以保留和选择，”冯解释道

更多的4mC等待被发现

迄今为止，苔草是唯一一种最终记录了4mC的植物群。冯说：“然而，我们的发现可能不是巧合。”。事实上，哺乳动物的早期发育阶段通常包括广泛的甲基化重编程，完全擦除和重建DNA表观遗传修饰

“因此，我们可能需要研究其他植物和动物的特定发育窗口。4mC也可能存在，等待被发现。”

本研究揭示了自然界进化的有性生殖的基本功能，并可能在生物技术中得到应用。通过剖析Marchantia中4mC表观遗传修饰的精确功能，这种分子机制可能被用作表观遗传基因组编辑的工具 More information: Extensive N4 Cytosine Methylation is Essential for Marchantia Sperm Function, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.03.014. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00287-9

Journal information: Cell