有沒有可能在已知的三種直接針對DNA的標記物中，有一種不存在于微生物領域之外？現在，奧地利科學技術研究所（ISTA）的Xiaoqi Feng領導的研究人員已經證明，這種標記物——n4 -甲基胞嘧啶（4mC）——對植物進化中的關鍵生物——多形肝草（marchantia polymorpha）的精子發育和成熟至關重要。

有時需要一個活化石才能得出一些關于生命和進化的最有趣的發現。作為苔蘚的親戚，地茅是現存最古老的植物之一，也可能是在陸地上定居的最古老的植物。除了在植物從水生生態系統過渡到陸地生態系統中發揮核心作用外，Marchantia仍然使用一種在大多數植物中不再存在的祖先繁殖形式。雖然其他植物已經進化出了獨立于水的有性生殖，但Marchantia的精子被釋放到飛濺在植物表面的雨水中，并游動給附近的雌性植物施肥。然而，許多分子方面的精子功能至今仍不為人所知。

奧地利科學技術研究所（ISTA）的Xiaoqi Feng團隊以這種獨特的植物為模型，揭示了未知的分子原理，為有性生殖的進化提供了新的視角。他們的最新發現是開創性的。Feng說：“我們的研究為植物或動物中具有非常重要功能的新DNA標記提供了確鑿的證據：它對Marchantia的有性生殖至關重要，特別是影響雄性植物的精子發育�！边@一發現可以應用于生物技術，為在不改變潛在DNA序列的情況下調節基因表達開辟了前景。

這是一次超越微生物領域的漫長探索

n4 -甲基胞嘧啶（4mC）是細菌中的一種免疫形式，通過在目標位置添加甲基化學基團來掩蓋它們的基因組，使其不受降解外來序列的酶的影響。它是已知的三種DNA標記之一：4mC， 5mC和6mA。由于這些化學標記只是“掩蓋”了潛在的遺傳密碼，而沒有使其發生突變，因此它們被稱為“表觀遺傳標記”，基于希臘語前綴epi，意思是“在”、“在”或“在”。雖然4mC和5mC是胞嘧啶核苷酸的化學修飾——dna的組成部分之一——但6ma是唯一針對腺嘌呤核苷酸的修飾。由于4mC從未在植物或動物中得到確鑿的記錄，因此科學界長期以來一直對它感興趣。

這一水平“瘋狂”

為了破譯Marchantia精子功能的分子機制，Feng和她的團隊在精子發育過程中區分了兩波廣泛的DNA甲基化。這兩個波實際上覆蓋了精子的基因組。他們發現，第一波與5mC相對應，這是一種已經在動物和植物中發現的DNA修飾，針對并沉默所謂的“跳躍基因”。然而，5mC本身并不能解釋第二波廣泛的甲基化，其目標是分散在編碼基因上的兩個核苷酸的短序列，即所謂的CG（胞嘧啶-鳥嘌呤）二核苷酸。此外，研究小組還發現，與n4胞嘧啶甲基轉移酶（細菌中催化4mC甲基化的酶）序列相似的基因在植物精子發育的同一窗口期表達。該團隊是否只是偶然發現了微生物外的4mC酶？

在這一發現的激勵下，他們使用了無數的定量技術來證明4mC確實是罪魁禍首。他們發現，在成熟的Marchantia精子中，僅4mC就占了高達15%的甲基化胞嘧啶，而在細菌中，這一比例不到1%�！霸谑褂昧艘幌盗薪Y論性的實驗方法后，我們可以有把握地說，我們的結果是肯定的，我們在Marchantia精子中檢測到的4mC水平令人難以想象�！币虼�，研究小組證明，在植物精子發育過程中，廣泛的5mC和4mC甲基化波是精心安排的。

此外，他們還表明，這些“瘋狂”水平的4mC在Marchantia精子中具有關鍵功能。沒有了4mC，植物的精子就不能再競爭受精：它的游動變得更慢，方向性更差，其生育能力急劇下降，即使在極少數成功受精的情況下，植物胚胎的早期發育也會受到影響。

水平基因轉移

另一種形式的DNA甲基化，6mA，在被發現是細菌污染之前，被其他研究人員錯誤地報告在幾種生物體中。這給科學家們留下了不好的印象，并導致DNA甲基化領域的審查增加�！笆褂枚喾N獨立的方法來檢測DNA甲基化是非常重要的，我們想要絕對確保我們的說法是合理的。但在某種程度上，高水平的4mC對我們的信心有幫助。畢竟，沒有細菌攜帶這么多的甲基化，”Feng說。但4mC最初是如何在馬尚蒂亞出現的呢？答案在于在有性生殖之外的不同物種之間轉移遺傳物質，這是一種被稱為水平基因轉移（HGT）的進化現象。

據報道，細菌和植物之間的HGT在進化尺度上經常發生。這很可能就是4mC到達Marchantia的方式。從土壤細菌到植物的HGT事件有助于植物從水生環境過渡到陸生環境�！斑@可能是大自然促進進化的特殊事件之一。遺傳物質從細菌到馬尚屬植物的水平轉移對植物非常有用，所以這種特性被保留下來并被選擇�！瘪T解釋說。

更多的4mC等待被發現？

到目前為止，苔類植物是唯一一種有確鑿證據證明含有4mC的植物�！叭欢�，我們的發現可能不是巧合，”Feng說。事實上，哺乳動物的早期發育階段通常包括廣泛的甲基化重編程，完全消除和重建DNA表觀遺傳修飾�！耙虼�，我們可能需要研究其他動植物的特定發育窗口。4mC可能也在那里，等著被發現�！�

目前的研究揭示了在自然界進化的有性生殖的基本功能，并可能在生物技術中找到應用。通過剖析Marchantia中4mC表觀遺傳修飾的精確功能，這種分子機制可能被用作表觀遺傳基因組編輯的工具，即在不改變DNA序列的情況下靶向基因表達的方法。