PNAS | 复旦大学李金超课题组揭示DNA损伤引发DNA甲基化修饰和转座子活化的 ...

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基因组与表观基因组的完整性持续受到内源及外源DNA损伤的威胁。在哺乳动物中，DNA损伤可诱导组蛋白修饰、DNA甲基化等多种表观遗传改变，与癌症发生和衰老密切相关；近期研究更证实，此类损伤驱动的表观遗传变化可直接促进小鼠衰老。与动物不同，植物固着生长且依赖光合自养，使其对环境DNA损伤尤为敏感——辐射、紫外线等有害环境因子不仅直接破坏DNA，更在植物基因组中引发表观基因组扰动，成为驱动植物基因组与表观基因组演化的重要力量。尽管DNA损伤诱导的表观遗传变异已在真核生物中被广泛记录，但其潜在机制与功能意义仍待阐明。
. k+ Q3 ]  ?: X; j& A( x2 q2026年 7 月 10 日，复旦大学李金超实验室在 PNAS 杂志在线发表了题为A DNA break-5mC cycle activates transposable elements in Arabidopsis的研究论文。本研究构建了一个新颖的机制模型，将DNA单链断链（SSB）与DNA甲基化（5mC）增强、DNA损伤应答激活及全基因组转座子活化相耦联。研究揭示了一个自我强化的SSB-5mC恶性循环，为基因组稳定性与表观遗传演化领域作出了重要概念性推进。


- N6 t" y2 _' O1 |8 O6 _: w单链DNA损伤（SSB）可在全基因组范围引起转座子激活
植物通过碱基切除修复（base excision repair, BER）途径清除DNA上的碱基损伤和异常甲基化，而该过程会产生带有3'末端阻断（3'-blocked）的单链断裂（SSB）中间产物。这些“分子伤口”通常由ZDP和APE2两种DNA末端修复酶精准修复完成。该课题组发现，当ZDP和APE2同时缺失时，这些3'阻断型SSB无法被有效修复，会急剧累积并引发强烈的DNA损伤应答（DDR）。全基因组转录组分析显示，这种修复失败会直接导致拟南芥基因组中约200个转座子被激活。这种激活效应在DNA烷化剂MMS处理后显著增强，证明其直接源于持续存在的SSB“伤口”。
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; @& _! o; ?6 v. c- V, p“自救”程序引发恶性循环，反而加剧SSB损伤与转座子爆发
7 u! H* V' Z; M  c  V该研究发现为了对抗转座子激活，植物细胞启动了一套“应急方案”：通过ATR-SOG1介导的DNA损伤应答，增强RNA指导的DNA甲基化（RdDM）通路，给转座子区域富集CHH甲基化，试图抑制其活性。这一应激反应依赖于对休眠RdDM组分（如DRM1、CLSY3、AGO3）的“唤醒”。然而，这种应急方案产生了一个出人意料的结果：这种由RdDM途径富集的CHH甲基化，会被DNA去甲基化酶ROS1切除，而ROS1的切除过程本身又会产生新的3'阻断型SSB。在修复能力健全的细胞中，这些新伤口能被及时处理；但在zdp ape2突变体中，新伤口只能“裸露”在基因组上，进一步加剧DNA损伤。
! H+ M! o, m3 B) h' a- G9 [这构成一个自我增强的破坏性循环——“SSB引发甲基化，甲基化被切除又产生新SSB，循环持续放大，最终导致转座子大规模失控激活” 。后续研究者通过突变ROS1和DRM1/2基因，确实能打破这一循环，显著缓解突变体的发育缺陷和转座子激活表型。
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. N  U: i+ s2 ?前人的研究认为，DNA甲基化升高会抑制转座子活性。但该研究发现，在SSB修复缺陷的特殊背景下，DNA甲基化的富集既是机体的“自救”反应，也成为了新一轮DNA损伤的驱动力。该研究不仅首次建立了SSB修复、DNA甲基化动态与转座子爆发之间的直接因果联系，也为理解植物中表观基因组的快速演化提供了新线索。植物的DNA甲基化组演化速率远高于DNA序列本身，外界胁迫（如冷害、紫外、铝毒、病原菌侵染等）常诱发DNA损伤。本研究提出的机制，提示DNA损伤可能是一种驱动植物适应性表观变异的重要动力。
4 s* L2 b! v' c# U- ~8 `复旦大学生命科学学院博士后梁文洁为论文第一作者，青年教授李金超为通讯作者。复旦大学郑丙莲教授在课题开展过程中给予重要帮助。该研究得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。
论文链接：
; ]4 \) V2 F9 l9 M9 v. r5 N4 ?https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2529943123