当一个动物出生或一株植物发芽时，新的有机体不仅继承了其父母的 DNA，还继承了一些称为表观遗传记忆的基因记忆。这些基因回忆可能表现为由于过去环境压力的创伤而改变的基因表达，或者是在它们继承的遗传密码中如何使用特定化学标记的基本指令。表观遗传继承在植物中尤为普遍，了解其工作原理有助于培育更强壮的作物，以应对全球气候变化，从而保障未来的粮食供应。
科学家们正逐步了解某些植物中表观遗传继承的机制，并发现了特定蛋白质如何控制这一过程。相关研究结果发表在 8 月 28 日的《Cell》杂志上。
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在这项研究中，来自冷泉港实验室和霍华德休斯医学研究所的研究团队深入探究了植物如何传递能够使潜在的、具有破坏性的基因——转座子失活的标记。转座子也被称为“跳跃基因”。当它们被激活时，可以移动并干扰细胞内的其他基因。为了抑制转座子并保护基因组的其余部分，细胞会使用一种称为甲基化的过程，该过程会在转座子跳跃的特定 DNA 位点添加调控标记。
在甲基化过程中，一种沉默基因的蛋白质 DDM1 会为将重要的遗传化学标记添加到植物新 DNA 链上的特定酶清除路径。植物细胞需要 DDM1 来清除路径，因为它们的 DNA 本身就非常紧密地缠绕在一起。为了保持 DNA 的适当压缩，细胞会将 DNA 缠绕在称为组蛋白的包装蛋白上。
“但这会阻碍各种重要酶访问 DNA，”该研究的合著者、植物生物学家 Rob Martienssen 在一份声明中说。他补充说，在甲基化发生之前，“你必须移除或将组蛋白滑开。”
这正是 DDM1 发挥作用的地方。DDM1 沿着包装蛋白滑动 DNA，以暴露植物细胞中需要甲基化的位点。Martienssen 解释说，这个过程就像溜溜球沿着绳子滑动一样。“组蛋白可以随着 DNA 上下移动，一次暴露一部分 DNA，但永远不会脱落，”他说。
Martienssen 和前同事 Eric Richards 在 30 年前首次发现了 DDM1，而这项研究正是基于这一初步发现，使用了拟南芥（Arabidopsis thaliana）或称鼠耳芥。
在一系列遗传和生化实验中，Martienssen 精确定位了 DDM1 移位的组蛋白。接下来，该研究的合著者 Leemor Joshua-Tor 使用冷冻电子显微镜技术，拍摄了该酶与 DNA 以及与之相关的包装蛋白相互作用的详细图像。研究团队看到了 DDM1 如何抓住特定的组蛋白来重排包装的 DNA。
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“一个意想不到的将 DDM1 连接在一起的键，恰好对应着多年前发现的第一个突变，”分子生物学家 Joshua-Tor 在一份声明中说。
他们的实验还表明，DDM1 对某些组蛋白的偏好如何在植物代际之间保留表观遗传控制。一种仅存在于花粉中的组蛋白对 DDM1 具有抗性，并在细胞分裂过程中充当占位符。“它会记住组蛋白在植物发育过程中的位置，并将这种记忆延续到下一代，”Martienssen 说。这些知识将有助于新一代的植物防止跳跃的转座子干扰基因组的其余部分。
植物可能不是执行此过程的唯一生物。人类也依赖类似于 DDM1 的蛋白质来维持 DNA 甲基化。这项关于其在表观遗传学中作用的新认识，有一天可能会解释这些蛋白质如何使我们自己的基因组保持完整和功能正常，但还需要更多的研究。
