Laporan pertama penanda DNA baru di luar mikroba, penting untuk fungsi sperma
Mungkinkah satu dari hanya tiga penanda yang diketahui secara langsung menargetkan DNA tidak ada di luar ranah mikroba? Sekarang, para peneliti yang dipimpin oleh Xiaoqi Feng di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) telah menunjukkan bahwa penanda-N4-methylcytosine (4MC) ini-sangat penting untuk pengembangan dan pematangan sperma di leverwort liverwort Marchantia polymorphaorganisme utama dalam evolusi tanaman. Temuan diterbitkan di Sel.
Terkadang dibutuhkan fosil hidup untuk membuat beberapa temuan paling menarik tentang kehidupan dan evolusi. Kerabat lumut, liverwort Marchantia adalah salah satu bentuk tanaman tertua yang ada dan mungkin garis keturunan tertua dari tanaman untuk menjajah tanah. Selain fungsi sentralnya dalam transisi tanaman dari akuatik ke ekosistem terestrial, Marchantia Masih menggunakan bentuk reproduksi leluhur yang tidak lagi ditemukan di sebagian besar tanaman. Sedangkan tanaman lain telah mengembangkan reproduksi seksual secara independen dari air, Marchantia Sperma dilepaskan ke tetesan air hujan yang mencipratkan permukaan tanaman dan berenang untuk menyuburkan tanaman betina di dekatnya. Namun, banyak aspek molekuler dari Marchantia Fungsi sperma tetap dalam kegelapan hingga hari ini.
Kelompok Xiaoqi Feng di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) menggunakan tanaman unik ini sebagai model untuk mengungkap prinsip -prinsip molekuler yang tidak diketahui yang memberi cahaya baru pada evolusi reproduksi seksual. Dan temuan terbaru mereka tidak kurang dari inovatif. “Studi kami memberikan bukti konklusif untuk penanda DNA baru pada tumbuhan atau hewan dengan fungsi yang sangat penting: sangat penting untuk reproduksi seksual dalam Marchantiasecara khusus mempengaruhi perkembangan sperma pada tanaman jantan, “kata Feng. Temuan ini dapat memiliki aplikasi dalam bioteknologi, membuka perspektif untuk mengatur ekspresi gen tanpa mengubah urutan DNA yang mendasarinya.
Pencarian panjang di luar ranah mikroba
N4-methylcytosine (4MC) adalah bentuk kekebalan pada bakteri, menyamarkan genom mereka dari enzim yang mendegradasi urutan asing dengan menambahkan kelompok kimia metil ke lokasi target. Ini adalah salah satu dari tiga penanda DNA yang diketahui: 4MC, 5MC, dan 6MA. Karena penanda kimia ini hanya 'topeng' kode genetik yang mendasari tanpa bermutasinya, mereka disebut “penanda epigenetik,” berdasarkan awalan Yunani, yang berarti 'berakhir,' 'di luar,' atau 'sekitar'. Sementara 4MC dan 5MC adalah modifikasi kimia dari nukleotida sitosin-salah satu blok bangunan DNA-6MA adalah satu-satunya yang menargetkan nukleotida adenin. Karena tidak pernah didokumentasikan secara meyakinkan pada tumbuhan atau hewan, 4MC telah menarik komunitas ilmiah untuk waktu yang lama.
Levelnya “gila”-tetapi dibutuhkan untuk sperma yang gesit
Dalam pencarian mereka untuk menguraikan mekanisme molekuler fungsi sperma MarchantiaFeng dan timnya membedakan dua gelombang metilasi DNA yang luas selama pengembangan sperma. Kedua gelombang ini benar -benar menutupi genom sperma. Mereka menunjukkan bahwa gelombang pertama berhubungan dengan 5MC, modifikasi DNA yang sudah diketahui pada hewan dan tanaman yang menargetkan dan membungkam apa yang disebut “gen melompat.” Namun, 5MC saja tidak dapat menjelaskan gelombang kedua dari metilasi yang luas, yang menargetkan urutan pendek dari dua nukleotida yang tersebar semua gen pengkodean, yang disebut dinukleotida CG (sitosin-guanin). Selain itu, tim menunjukkan bahwa gen dengan kesamaan urutan dengan methyltransferases N4-cytosine, enzim yang mengkatalisasi metilasi 4MC pada bakteri, diekspresikan dalam jendela yang sama dari perkembangan sperma tanaman. Mungkinkah tim menemukan enzim untuk 4MC di luar mikroba?
Termotivasi oleh penemuan ini, mereka menggunakan berbagai teknik kuantitatif untuk menunjukkan bahwa 4MC memang pelakunya. Mereka menemukan bahwa 4MC saja bertanggung jawab atas lima belas persen sitosin yang dimetilasi dalam matang Marchantia Sperma yang bertentangan dengan kurang dari satu persen pada bakteri. “Setelah menggunakan baterai pendekatan eksperimental konklusif, kami dapat dengan aman mengatakan kami yakin dengan hasil kami,” kata Feng. “Tingkat 4MC yang kami terdeteksi Marchantia Sperma gila untuk dipikirkan. “Dengan demikian, tim menunjukkan bahwa gelombang metilasi 5MC dan 4MC yang luas diatur selama pengembangan sperma tanaman. Selain itu, mereka menunjukkan bahwa tingkat 4MC” gila “ini memiliki fungsi -fungsi utama di dalam Marchantia sperma. Tanpa 4MC, sperma tanaman tidak dapat lagi bersaing untuk membuahi: berenangnya menjadi lebih lambat dan kurang terarah, kesuburannya menurun secara drastis, dan bahkan dalam kasus -kasus yang jarang terjadi pemupukan yang berhasil, perkembangan awal embrio tanaman terpengaruh.
Transfer gen horizontal
Bentuk lain dari metilasi DNA, 6MA, secara keliru dilaporkan oleh peneliti lain di beberapa organisme sebelum deteksi ditelusuri ke kontaminasi bakteri. Ini telah meninggalkan selera yang buruk di mulut para ilmuwan dan menyebabkan peningkatan pengawasan di bidang metilasi DNA. “Sangat penting untuk menggunakan beberapa metode independen untuk mendeteksi metilasi DNA, dan kami ingin memastikan bahwa klaim kami sehat. Tetapi dengan cara yang tinggi, tingkat tinggi 4MC sangat membantu untuk kepercayaan diri kami. Lagipula, tidak ada bakteri yang membawa metilasi sebanyak ini,” kata Feng. Tapi bagaimana 4MC muncul Marchantia pertama kali? Jawabannya terletak pada mentransfer materi genetik antara spesies yang berbeda di luar reproduksi seksual, sebuah fenomena evolusioner yang disebut transfer gen horizontal, atau HGT.
HGT telah dilaporkan sering terjadi pada skala evolusi antara bakteri dan tanaman. Ini kemungkinan besar bagaimana 4MC mencapai Marchantia. Peristiwa HGT dari bakteri tanah ke tanaman telah berkontribusi pada transisi tanaman dari akuatik ke lingkungan terestrial. “Ini mungkin salah satu peristiwa ad-hoc alam yang meningkatkan evolusi. Transfer horizontal bahan genetik dari bakteri ke Marchantia Ternyata cukup berguna untuk tanaman, sehingga sifatnya disimpan dan dipilih, “jelas Feng.
Lebih banyak 4MC menunggu untuk ditemukan?
Liverwort adalah satu -satunya kelompok tanaman di mana 4MC telah didokumentasikan secara meyakinkan hingga saat ini. “Namun, temuan kami mungkin bukan kebetulan,” kata Feng. Faktanya, tahap perkembangan awal pada mamalia biasanya mencakup pemrograman ulang metilasi yang luas, benar-benar menghapus dan membangun kembali modifikasi epigenetik DNA. “Jadi, kita mungkin perlu melihat jendela perkembangan tertentu di tanaman dan hewan lain. 4MC mungkin juga ada di sana, menunggu untuk ditemukan.”
Penelitian ini menjelaskan fungsi dasar reproduksi seksual yang berevolusi di alam dan dapat menemukan aplikasi dalam bioteknologi. Dengan membedah fungsi yang tepat dari modifikasi epigenetik 4MC di Marchantiamekanisme molekuler ini berpotensi digunakan sebagai alat untuk pengeditan genom epigenetik, yaitu metode yang menargetkan ekspresi gen tanpa mengubah urutan DNA.
Penelitian ini dimulai di Departemen Sel dan Biologi Perkembangan, John Innes Center, Norwich, Inggris, sebelum Xiaoqi Feng bergabung dengan Fakultas Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA).
Publikasi:
James Walker, Jingyi Zhang, Yalin Liu, Shjuuan Xu, Yiming Yu, Martin Vickers, Weizhi Ouyang, Judit Tálas, Liam Dolan, Keiji Nakajima, Xiaoqi Feng. 2025. Metilasi sitosin N4 yang luas sangat penting untuk Marchantia Fungsi sperma.Sel. Doi: 10.1016/j.cell.2025.03.014
