Kunne det være, at en af kun tre kendte markører, der direkte er rettet mod DNA, ikke findes uden for den mikrobielle verden? Forskere ledet af Xiaoqi Feng ved Institut für Weinschaft und Technologie Austria (ISTA) har nu vist, at denne markør – N4-methylcytosin (4mC) – er essentiel for udviklingen og modningen af sædceller i levermosen Marchantia polymorpha , en vigtig organisme i planters evolution.
Nogle gange kræver det et levende fossil at få nogle af de mest interessante indsigter i liv og evolution. Leverurten Marchantia , en slægtning til mosser, er en af de ældste eksisterende planteformer og sandsynligvis den ældste planteslægt, der har koloniseret land. Udover sin centrale rolle i planters overgang fra akvatiske til terrestriske økosystemer, anvender Marchantia stadig en gammel form for reproduktion, der ikke længere findes i de fleste planter. Mens andre planter har udviklet deres seksuelle reproduktion uafhængigt af vand, frigives Marchantias sæd i regndråber, der falder ned på plantens overflade. Den flyder derefter i disse dråber for at befrugte nærliggende hunplanter. Imidlertid forbliver mange molekylære aspekter af Marchantias sædfunktion et mysterium.
Xiaoqi Fengs gruppe ved Institut für Weißnatur und technologi (ISTA) bruger planten som model til at udforske tidligere ukendte grundlæggende principper inden for molekylærbiologi og få ny indsigt i udviklingen af seksuel reproduktion. Deres seneste resultater er banebrydende. "Vores undersøgelse giver afgørende beviser for en ny DNA-markør i planter eller dyr med en meget vigtig funktion: Den er essentiel for seksuel reproduktion i Marchantia og påvirker især sædudviklingen i hanplanter," siger Feng. Resultaterne kan have anvendelser inden for bioteknologi ved at åbne op for muligheder for at regulere genekspression uden at ændre den underliggende DNA-sekvens.
N4-methylcytosin (4mC) er en form for immunitet hos bakterier. Det skjuler deres genom fra enzymer, der nedbryder fremmede sekvenser, ved at binde en methylgruppe på målstederne. Det er en af de tre kendte DNA-markører: 4mC, 5mC og 6mA. Fordi disse kemiske markører kun "maskerer" den underliggende genetiske kode uden at ændre den, kaldes de " epigenetiske markører" - baseret på det græske præfiks epi, der betyder "over", "omkring" eller "uden for". Mens 4mC og 5mC er kemiske modifikationer af cytosinnukleotidet - en af byggestenene i DNA - er 6mA den eneste, der er rettet mod adeninnukleotidet. Da det aldrig er blevet endeligt detekteret i planter eller dyr, har 4mC længe tiltrukket sig mange forskeres interesse.
I deres forsøg på at afkode de molekylære egenskaber ved sædcellers funktion i Marchantia , var Feng og hendes team i stand til at skelne mellem to bølger af DNA-methylering under sædudviklingen. Disse to bølger er så omfattende, at de bogstaveligt talt dækker sædcellernes genom. De viste, at den første bølge svarede til 5mC, en DNA-modifikation, der allerede er kendt hos dyr og planter. Den er rettet mod såkaldte "springgener" og lukker dem ned. Imidlertid kunne 5mC alene ikke forklare den anden bølge af omfattende methylering. Denne er rettet mod korte sekvenser af to nukleotider, der er spredt på tværs af alle kodende gener: de såkaldte CG (cytosin-guanin) dinukleotider. Desuden viste teamet, at gener med sekvenslighed med N4-cytosinmethyltransferaser, de enzymer, der katalyserer 4mC-methylering i bakterier, var aktive i det samme vindue af sædudviklingen i planten. Kunne teamet muligvis være stødt på enzymerne til 4mC uden for det mikrobielle område ved et tilfælde?
Ansporet af denne opdagelse brugte de adskillige kvantitative teknikker til at demonstrere, at 4mC faktisk var synderen. De fandt ud af, at 4mC alene tegnede sig for hele femten procent af de methylerede cytosiner i moden Marchantia-sæd, sammenlignet med mindre end én procent i bakterier. "Efter at have brugt en række strenge eksperimentelle tilgange kan vi sige, at vi er sikre på vores resultater," siger Feng. "De 4mC-niveauer, vi registrerede i Marchantia -sæd, er vanvittigt høje." Holdet var således i stand til at demonstrere, at de omfattende 5mC- og 4mC-methyleringsbølger under plantens sædudvikling var koordinerede. Desuden viste de, at disse "vanvittigt høje" 4mC-niveauer spillede en nøglerolle i Marchantia -sæd . Uden 4mC er plantens sæd ikke længere konkurrencedygtige i befrugtning: de svømmer langsommere og mindre målrettet, deres fertilitet falder drastisk, og selv i de sjældne tilfælde af vellykket befrugtning er den tidlige udvikling af planteembryoet forringet.
En anden form for DNA-methylering, 6mA, blev fejlagtigt detekteret af andre forskere i adskillige organismer, før det blev fastslået, at bakteriel kontaminering af prøverne var årsagen. Dette efterlod en dårlig smag i munden på forskerne og førte til øget granskning af DNA-methyleringsforskning. "Det er meget vigtigt at bruge flere uafhængige metoder til at detektere DNA-methylering, og vi var fast besluttede på at sikre, at vores påstande var holdbare. Men på en måde hjalp de høje 4mC-niveauer vores selvtillid. Ingen bakterie udviser trods alt så høje niveauer af metylering," siger Feng. Men hvordan opstod 4mC i Marchantia i første omgang ? Svaret ligger i overførslen af genetisk materiale mellem forskellige arter uden for seksuel reproduktion, et evolutionært fænomen kendt som horisontal genoverførsel eller HGT.
Horisontal genoverførsel mellem bakterier og planter er blevet rapporteret at forekomme hyppigt – på evolutionær skala. Det er højst sandsynligt sådan, at 4mC ankom til Marchantia . HGT-begivenheder fra jordbakterier til planter har bidraget til planters overgang fra akvatiske til terrestriske habitater. "Dette kunne være en af naturens ad hoc-begivenheder, der drev evolutionen. Den horisontale overførsel af genetisk materiale fra bakterier til Marchantia viste sig at være yderst gavnlig for planterne, så egenskaben blev bevaret og selekteret for," forklarer Feng.
Levermosser er den eneste plantegruppe, hvor 4mC er blevet klart dokumenteret til dato. "Vores resultater er dog sandsynligvis ikke en tilfældighed," siger Feng. Faktisk forekommer der typisk en omfattende omprogrammering af methylering i tidlige udviklingsstadier hos pattedyr, hvor epigenetiske DNA-markører slettes fuldstændigt og genetableres. "Så vi kan være nødt til at se på et specifikt udviklingsvindue hos andre planter og dyr. 4mC kan også være til stede der og bare vente på at blive opdaget."
Denne undersøgelse kaster lys over en fundamental funktion af seksuel reproduktion, som har udviklet sig i naturen og kan finde anvendelser inden for bioteknologi. Ved at undersøge den præcise funktion af den epigenetiske 4mC-modifikation i Marchantia , kan denne molekylære mekanisme potentielt bruges som et værktøj til epigenetisk genomredigering – det vil sige til metoder, der målretter genekspression uden at ændre DNA-sekvensen.
originale publikation
James Walker, Jingyi Zhang, Yalin Liu, Shujuan Xu, Yiming Yu, Martin Vickers, Weizhi Ouyang, Judit Talas, Liam Dolan, Keiji Nakajima, Xiaoqi Feng. 2025. Omfattende N4-cytosin-methylering er afgørende for Marchantia-spermfunktionen. Celle.
Læs også
Joachim Herz Fonden tildeler pris for bæredygtig bioteknologi | Pugnalom
Jordfiltre til opbevaring opnår vandkvalitet fra spildevandsrensningsanlæg | Pugnalom
