衰老会促使植物器官中DNA甲基化程度逐渐下降

《SCIENCE》：Aging drives a program of DNA methylation decay in plant organs

DNA甲基化衰老导致转座子激活，但 shoot apical meristems（SAMs）干细胞通过TCX5/TCX6维持年轻表观遗传状态，延长寿命可减缓甲基化衰减。

　　

编辑总结

DNA甲基化通常会抑制可移动元件（transposable elements, TEs）的表达。Dai等人研究了这种过程在一种短寿命植物中的表现，发现随着器官的老化，可移动元件的表观遗传沉默作用会减弱。然而，在具有自我更新能力的茎尖分生组织（shoot apical meristems）的干细胞池中并未出现这种表观遗传老化现象，从而使得新形成的器官的“老化时钟”被重置。当两个转录因子TCX5和TCX6缺失时，器官也不会发生表观遗传老化，这与它们在抑制DNA甲基化中的作用一致。这项研究揭示了植物如何根据不同组织和年龄维持不同的表观遗传状态。——Madeleine Seale

结构化摘要

引言

DNA甲基化是多种真核生物（包括植物、动物和真菌）基因组的一种动态表观遗传修饰。在哺乳动物和人类中，DNA甲基化已成为生物年龄的主要生物标志物，但导致这些变化的分子机制仍不甚明了。植物在DNA甲基化模式上与哺乳动物有许多相似之处，然而植物老化与表观遗传动态之间的关系尚未得到充分理解。

研究背景

由于哺乳动物模型物种和细胞培养系统的局限性，解析表观遗传老化背后的分子机制颇具挑战性。因此，我们试图研究这种短寿命且易于实验操作的模型植物——拟南芥（Arabidopsis thaliana）是否表现出与哺乳动物相似的表观遗传老化动态。植物独特的生长和发育特性还使我们能够探讨一些关键问题，例如单个器官的年龄是否可以与整个生物体的年龄分离，以及环境因素对寿命变化如何影响表观遗传老化速率。

结果

我们发现拟南芥的叶片在老化过程中DNA甲基化会逐渐减弱，导致原本被抑制的基因组区域甲基化程度降低，同时可移动元件重新表达。通过在短日照（8小时光照/16小时黑暗）条件下培养植物（这种条件可将植物寿命延长约三倍），我们发现长寿植物的DNA甲基化衰减速率明显降低。同样，在自然生长或寿命缩短/延长的突变体中，DNA甲基化衰减速率也相应加快或减慢。此外，我们还利用植物的可塑性发现，从老植物中新长出的器官具有更年轻的表观遗传状态，这表明器官和生物体的表观遗传年龄是相互独立的。最后，我们发现了某些转录抑制剂，它们在老化过程中会失活DNA甲基化维持基因，从而驱动与年龄相关的表观遗传变化。这些转录抑制剂的突变体在老化过程中没有表现出DNA甲基化衰减，尽管它们的物理老化过程基本未受影响。

结论

尽管哺乳动物和植物的物理老化过程存在显著差异，但在老化过程中TEs和重复DNA的DNA甲基化丧失现象似乎是普遍存在的。这些表观遗传动态似乎反映了植物的生物学年龄，这与在人类和其他哺乳动物中发现的表观遗传老化时钟的特性相符。发现的一种表观遗传老化时钟缺陷突变体表明，与年龄相关的DNA甲基化变化可能是由调控老化组织中DNA甲基化维持因子表达的机制所引起的。我们的结果还表明，在植物中，DNA甲基化衰减不太可能是导致物理老化的主要因素。

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植物的表观遗传老化动态。

叶片中的TE序列在老化过程中会失去DNA甲基化，从而导致转录激活。表观遗传老化由TCX5和TCX6驱动，这两种转录因子在老化过程中会抑制DNA甲基化维持基因的活性。茎尖分生组织（SAMs）不受表观遗传老化的影响。WT表示野生型。

摘要

植物的寿命和老化速率各不相同。虽然DNA甲基化的动态变化是哺乳动物老化的特征，但目前尚不清楚类似的分子变化是否也能反映植物的老化速率和寿命。在这项研究中，我们发现短寿命模型植物拟南芥在老化过程中会失去表观遗传完整性，导致DNA甲基化减弱和可移动元件的表达。我们发现通过延长或缩短寿命可以调控表观遗传老化的进程，并且茎尖分生组织能够免受这些表观遗传变化的影响。我们还证明，一种转录抑制机制在老化过程中会抑制DNA甲基化维持途径，其突变体完全缺乏表观遗传衰减现象，而其物理老化过程未受影响。