dnmt基因的rna甲基化，DNMT3A介导的DNA甲基化在男性不育中的新机制

撰文 | Enigma

DNA甲基化是表观遗传调控中重要的修饰之一。其中，启动子的甲基化在体细胞组织中的作用模式比较稳定且仅适用于少数基因，而增强子甲基化在组织和发育的阶段中普遍存在且作用模式高度动态。DNA甲基转移酶DNMT3A介导的DNA甲基化在精子发生中发挥着关键作用，它的突变会导致小鼠雄性不育的发生。然而关于DNMT3A在雄性种系发育中的全基因组分析的研究依然很匮乏，并且Dnmt3A突变体在精子发生障碍中的机制仍然存在不确定性。

2022年4月11日，巴黎文理研究大学的Deborah Bourc’his课题组在Nature Genetics发表了题为DNMT3A-dependent DNA methylation is required for spermatogonial stem cells to commit to spermatogenesis的研究论文。他们报道了雄性精子细胞在精子发生过程中甲基化修饰建立的位置和功能。研究发现DNMT3A介导的基因甲基化广泛存在于雄性生殖细胞基因组中，并调控精原干细胞（SSC）的可塑性。作者通过单细胞RNA测序和染色质状态分析等重建发育轨迹，发现Dnmt3A突变的精原干细胞只能进行自我更新，而不再进行与虚假增强子激活相关的分化，从而强制执行不可逆的干细胞基因程序。本研究强调了DNA甲基化在男性不育中的关键作用：SSC致力于分化和终生精子形成供应的表观遗传编程。Mathilde Dura为本文的第一作者

DNA甲基化是哺乳动物发育过程中一个关键的表观遗传标记。启动子甲基化提供的稳定长期的抑制模式在体细胞组织中的变化很小。这种调控模式主要适用于反转录转座子控制和组成型抑制少数基因，例如种系基因、基因组印记或者X染色体失活。相反地，增强子甲基化在组织和发育的阶段中普遍存在且调控模式高度动态。生化测定中甲基化敏感的转录因子（TFs）的鉴定为增强子DNA 甲基化的功能提供了概念框架。然而，DNA甲基化抑制分化过程中TF-增强子功能的相互作用调控基因程序仍然缺乏体内证据。

雄性种系分化为研究DNA甲基化的分布和功能提供了基础。种系表观遗传重编程产生广泛的次甲基化基因组，其中雄性生殖细胞特异性DNA甲基化是在胎儿时期建立的，并影响包括包括基因、基因间序列和反转录转座子在内的所有基因组组分。在甲基化发生在SSCs形成之前，通过其自我更新和分化的双重能力维持终生的精子发生。巧合的是，在胎儿生殖细胞中甲基化模式的建立在产后生活中大多并未改变，从SSCs一直保持到连续分化成精子产生的类型。

在小鼠中，雄性种系甲基化需要两种从头甲基转移酶DNMT3A和DNMT3C以及无催化活性的辅助因子DNMT3L。这些基因中单独的突变会导致雄性不育，凸显了DNA甲基化对精子发生的重要性。最近发现的DNMT3C酶选择性地甲基化幼鼠的启动子反转座子谱系，仅占小鼠的1%基因组。然而，此受限功能对减数分裂至关重要，且未能在胎儿阶段建立反转录转座子的甲基化会导致他们在产后的减数分裂中激活，随后干扰减数分裂染色质的建立并通过凋亡的方式中断睾丸生精（如DNMT3C和DNMT3L突变中观察的那样）。在DNMT3C鉴定出来之前，DNMT3A被认为是负责男性种系（包括逆转录转座子）甲基化的唯一酶。然而DNMT3A靶标从未在种系重编程期间被全基因组分析，并且Dnmt3A突变体在精子发生障碍中的作用仍然存在不确定性。

在本研究中，作者首先通过DNA甲基化分析和单细胞RNA测序等生物信息学分析发现DNMT3A可以对雄性小鼠生殖细胞基因组进行广泛的甲基化修饰，而不影响精子发生过程中的反转录转座子的沉默。接下来为了探究DNMT3A介导的DNA甲基化在精子发生中的功能，作者又通过免疫组化和免疫荧光实验等发现DNMT3A突变体只能够完成第一波精子的发生并伴随着生殖细胞数量的减少，暗示了SSC依赖的精子发生受损。随后，在DNMT3A突变体中发生SSC******，并且SSC能够进行正常自我更新，但其分化能力明显受损，进而导致精子发生的障碍。最后，研究者通过生殖细胞时间轨迹分析和ChIP seq测序分析等研究发现，DNA甲基化能够通过限制增强子的活性来调控SSC的可塑性。

该研究发现了DNMT3A介导的DNA甲基化修饰在雄性种系发育中的新机制，提升了我们对DNMT3A调控干细胞功能的认识，为雄性不育和表观遗传学的研究奠定了基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41588-022-01040-z

制版人：十一

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