高等生物基因组中含有大量转座子序列，激活的转座子对基因组的稳定性是一个潜在的威胁。正所谓“道高一尺,魔高一丈”，高等植物中已进化出较为完备的小干扰RNA依赖的DNA甲基化(siRNA-directed DNA methylation, RdDM)途径来维持基因组上转座子的高度沉默。RdDM途径主要分为两个主要步骤，首先植物特有的DNA依赖的RNA聚合酶Pol IV（由Pol II进化而来）在RNA依赖的RNA聚合酶（主要为RDR2）的作用下从转座子区域转录出大量的30-40 nt长度的双链前体，这些双链RNA分子经过核酸内切酶Dicer 3 (DCL3)的切割产身成熟的24 nt的siRNA（small interfering RNA）。然后另一个植物特有的DNA依赖的RNA聚合酶Pol V（也由Pol II进化而来）在转座子邻近区域转录出200 nt的支架RNA（scaffold RNA），这些支架RNA通过序列的同源匹配进而招募已经装载24 nt siRNA的AGO4蛋白复合体(RISC)。随后进一步招募DNA甲基化转移酶DRM1/2建立转座子的DNA甲基化修饰，从而精确并高效的沉默转座子。已知Pol V的招募完全依赖于主要由DMS3、DRD1和RDM1组成的DDR 复合物，DDR复合物中任一蛋白的功能紊乱均表现出Pol V的功能缺失。然而DDR 复合物本身的组装调控机制并不清楚。2019年2月13日，郑丙莲课题组在PNAS在线发表了题为Anaphase-promoting complex/cyclosome regulates RdDM activity by degrading DMS3 in Arabidopsis的研究论文，该文首次揭示植物 APC/C 调控DDR复合物的组装，并发现DMS3呈现细胞周期依赖的表达模式。
本研究中，研究人员首先通过qRT-PCR和lncRNA测序分析发现植物细胞周期调控复合物APC/C通过影响Pol V的招募进而参与部分转座子的沉默过程。APC/C作为经典的细胞周期过程中特异性的泛素连接酶E3,其在RdDM途径中的底物是什么呢？为了回答这一问题，他们通过酵母双杂交的手段发现负责Pol V招募的DDR复合物的成员DMS3与APC/C相互作用，反过来APC/C能够在体内和体外将DMS3泛素化，并且这种相互作用和泛素化是完全依赖于DMS3蛋白序列中的保守的D Box的。与此一致的是，在apc/c突变体中DMS3蛋白显著积累。那么为什么DMS3的增加也造成Pol V的招募受阻呢？通过体外的竞争性结合实验证明只有适量的 DMS3 蛋白才可以促进功能性的DDR复合物正确组装，过多或过少的DMS3均导致DDR1和RDM1的相互作用大为降低。随后植物体内的分子筛实验进一步发现apc/c 突变体中功能性的 DDR 复合物的组装显著减少，并伴有低分子量的非功能性复合物的形成。更重要的是，DMS3 过表达植物表现出与apc/c突变体类似的DNA甲基化水平下降和转座子激活的分子表型。这些结果进一步证明 APC/C通过介导DMS3 泛素化降解参与植物的RdDM 途径。基于APC/C是细胞周期中的重要调控复合物，该研究发现也暗示了RdDM活性可能存在细胞周期依赖的调控机制，因此这也为了解基因组在细胞周期进程中如何协调活跃的DNA复制和转座子沉默提供了全新的视角
郑丙莲课题组最近刚毕业的博士研究生钟嵩潇同学为本文第一作者，郑丙莲研究员为通讯作者。本研究工作得到了复旦大学遗传工程国家重点实验室麻锦彪教授、任国栋研究员和王应祥研究员的大力支持。研究经费来自于中组部青年千人计划、上海市浦江人才计划、国家自然科学基金面上项目、优秀青年基金和重点项目等资助。
论文全文链接：https://www.pnas.org/content/early/2019/02/12/1816652116。