可能在已知的三种直接针对DNA的标记中，除了微生物领域外，另一种标记并不存在？现在，由奥地利科学与技术研究所（ISTA）的冯晓琦领导的研究人员已经证明，这种标记——N4-甲基胞嘧啶（4mC）——对于肝wort植物Marchantia polymorpha中的精子发育和成熟是必不可少的，这是一种在植物进化中起着关键作用的生物。研究结果发表在Cell上。
有时候需要活化石才能对生命和进化做出一些最有趣的发现。作为苔藓的近亲，肝wortMarchantia是现存最古老的植物形式之一，可能是最早的在陆地上定殖的植物谱系。除了它在植物从水生生态系统向陆地生态系统转变中的核心功能外，Marchantia仍然使用一种在大多数植物中已不再存在的祖先繁殖形式。而其他植物已经独立于水进化出有性繁殖，Marchantia的精子是在雨水滴落到植物表面时释放出来，游动至附近的雌性植物进行受精。然而，至今为止，Marchantia精子功能的许多分子方面仍然处于黑暗之中。
冯晓琦领导的奥地利科学与技术研究所（ISTA）的团队使用这种独特的植物作为模型，以揭示尚未了解的分子原理，这些原理为有性繁殖的进化提供了新的视角。他们最新的发现毫不逊色于开创性。“我们的研究为植物或动物中的新DNA标记提供了确凿证据，这一标记具有非常重要的功能：它对Marchantia的有性繁殖至关重要，特别是影响雄性植物中的精子发育，”冯说。这些发现可能在生物技术中具有应用前景，为调控基因表达而无需改变基础DNA序列开辟了新视角。
超越微生物领域的漫长搜索
N4-甲基胞嘧啶（4mC）是细菌中一种免疫形式，通过在特定位置添加甲基化学基团来伪装其基因组，防止酶降解外源序列。它是已知的三种DNA标记之一：4mC、5mC和6mA。由于这些化学标记仅“掩盖”基础遗传代码而不突变，因此被称为“表观遗传标记”，基于希腊前缀epi，意为“在……上方”，“在……外”或“周围”。虽然4mC和5mC是细胞嘧啶核苷酸的化学修饰（DNA的构建基块之一），但6mA是唯一针对腺苷核苷酸的标记。由于它在植物或动物中从未得到明确的证实，4mC长期以来吸引了科学界的兴趣。
这些水平是“疯狂的”——但对于灵活的精子必不可少
在解密Marchantia中精子功能的分子机制的过程中，冯和她的团队在精子发育过程中区分出了两波广泛的DNA甲基化。这两波的波动循环在精子的基因组上产生了广泛覆盖。研究表明，第一波对应于5mC，5mC是一种在动物和植物中已知的靶向和沉默所谓“跳跃基因”的DNA修饰。然而，仅有5mC无法解释第二波广泛的甲基化，这种甲基化靶向散布于编码基因的两个核苷酸的短序列，所谓的CG（胞嘧啶-鸟嘌呤）二核苷酸。此外，团队显示出与N4-胞嘧啶甲基转移酶（这些酶催化细菌中的4mC甲基化）序列相似的基因在植物精子发育的同一时间段内表现出来。团队是否刚好偶然发现了微生物以外的4mC的酶？
受到这一发现的激励，他们使用多种定量技术证明4mC确实是罪魁祸首。他们发现，4mC单独负责已成熟的Marchantia精子中高达15%的甲基化胞嘧啶，而在细菌中这一比例不到1%。“经过一系列确凿的实验方法，我们可以放心地说我们对结果非常有信心，”冯说。“我们在Marchantia精子中检测到的4mC水平令人难以置信。”因此，团队证明了在植物精子的发育过程中，广泛的5mC和4mC甲基化波是协调进行的。此外，他们显示这些“疯狂”的4mC水平在Marchantia精子中具有关键功能。没有4mC，植物的精子将无法再进行竞争性受精：游动变得更慢和缺乏方向性，生育力大大降低，甚至在成功受精的少数情况下，植物胚胎的早期发育也受到影响。
横向基因转移
另一种DNA甲基化形式6mA，在不同生物中被其他研究人员误报，后来发现其检测结果归因于细菌污染。这给科学界带来了不良印象，使DNA甲基化领域受到更多审查。“使用多种独立方法检测DNA甲基化非常重要，我们希望绝对确保我们的主张是可信的。但在某种程度上，4mC的高水平增强了我们的信心。毕竟，没有细菌携带如此多的甲基化，”冯说。但是，4mC究竟是如何在Marchantia中产生的？答案在于不同物种之间的遗传物质转移，即一种被称为横向基因转移（HGT）的进化现象。
HGT在细菌和植物之间相对频繁被报道——从进化的角度来看。这很可能是4mC到达Marchantia的途径。来自土壤细菌的HGT事件促进了植物从水生环境向陆地环境的转变。“这可能是自然界的一种临时事件，推动了进化。细菌向Marchantia的遗传物质的水平转移对植物来说变得相当有用，因此这一特征被保留下来并受到选择，”冯解释道。
更多的4mC等待被发现？
肝wort是迄今为止唯一被确凿记录的4mC植物组。“然而，我们的发现可能不是偶然，”冯说。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，完全抹去并重新建立DNA表观遗传修饰。“因此，我们可能需要关注其他植物和动物在某个特定发育阶段的情况。4mC也可能在那儿，等待被发现。”
本研究揭示了在自然界中进化的有性繁殖的基本功能，并可能在生物技术中找到应用。通过解剖Marchantia中4mC表观遗传修饰的确切功能，这一分子机制可能被用作表观遗传基因组编辑工具，即针对基因表达而不改变DNA序列的方法。
本研究始于英国诺里奇的约翰·英尼斯中心细胞与发育生物学系，在冯晓琦加入奥地利科学与技术研究所（ISTA）任教之前。
