5-甲基胞嘧啶（5mC）是真核生物基因組中最豐富的修飾核苷酸，常被簡稱為DNA甲基化。DNA甲基化在很多真核生物的生長發育中發揮著關鍵作用，其主要功能包括防禦基因組中的轉座子或病毒序列和發育和脅迫應答基因的轉錄調控等。DNA去甲基化對於維持正確的基因組DNA甲基化水平至關重要。DNA去甲基化可分為被動DNA去甲基化和主動DNA去甲基化，其中前者指在DNA甲基化酶活被抑制的情況下，基因組複製帶來的DNA甲基化水平降低，後者是由DNA去甲基化酶介導的主動過程。由於C-C鍵的化學穩定性，從5mC上直接去除甲基很難實現，因此主動DNA去甲基化的機制曾經存在多種假說。擬南芥REPRESSOR OF SILENCING 1（ROS1）是真核生物中發現的第一個DNA去甲基化酶 (Gong et al., 2002)，其發現提示鹼基切除修復（base excision repair, BER）是植物主動DNA去甲基化的主要機制（圖1），並為領域後續研究指明了方向。
圖1 ROS1糖苷酶-鹼基切除修復通路實現主動DNA去甲基化。
2022年12月7日，中科院分子植物科學卓越創新中心張蘅研究員、中國農業大學鞏志忠教授、南方科技大學朱健康教授應邀在Journal of Integrative Plant Biology（JIPB）在線發表題為「Active DNA demethylation in plants: 20 years of discovery and beyond」的綜述文章（https://doi.org/10.1111/jipb.13423），系統總結了過去20年來植物中主動DNA去甲基化研究的進展，提出了領域的未來研究方向。
圖2 對ROS1家族5mC DNA糖苷酶的調控機制
論文對過去20年植物主動DNA去甲基化研究的進展進行了總結，包括通過鹼基切除修復通路進行主動DNA去甲基化的機制、對主動DNA去甲基化的調控、主動DNA去甲基化在植物生長發育中的作用、主動DNA去甲基化在應對環境刺激中的作用。自2002年發現ROS1具有5mC糖苷酶活性並參與主動DNA去甲基化以來，植物中大部分鹼基切除修復（BER）通路中參與主動DNA去甲基化的酶（除了DNA合成酶）都已被鑑定到；近年來的研究也發現哺乳動物利用BER通路進行主動DNA去甲基化，雖然這一過程由TET和TDG蛋白起始 (Wu and Zhang, 2017)。近年來的研究表明植物中ROS1的表達受到一個DNA甲基化監測序列的調控，而ROS1在基因組上的定位受到多個蛋白質複合體的調控（圖2）。在過去10年中，得益於基因編輯技術和高通量測序技術的進步，科研人員還發現了主動DNA去甲基化在多個作物中的重要生物學功能。在未來，主動DNA去甲基化的調控機制及其生物學功能仍將是領域研究的重點；而ROS1家族糖苷酶與CIRSPR/CAS9編輯技術的結合則可對特定位點的DNA甲基化水平進行編輯，有望在作物育種與人類疾病治療中得到應用。
張蘅研究員為論文第一作者，張蘅研究員、鞏志忠教授、朱健康教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、中科院戰略先導專項、上海市科技興農技術創新項目等資助。
參考文獻：
1.Gong, Z., Morales-Ruiz, T., Ariza, R.R., Roldan-Arjona, T., David, L., and Zhu, J.K. (2002). ROS1, a repressor of transcriptional gene silencing in Arabidopsis, encodes a DNA glycosylase/lyase. Cell 111: 803-814.
2.Wu, X., and Zhang, Y. (2017). TET-mediated active DNA demethylation: Mechanism, function and beyond. Nat. Rev. Genet. 18: 517-534.
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