在距今大约25到26亿年前，地球大气中的游离氧含量出现爆发式的增长，史称“大氧化事件”（Great Oxidation Event）。地球上的大部分生命由此逐渐进化出了依赖于有氧代谢的生存模式。在有氧代谢过程中，由于电子传递的泄露使得氧气能够获得电子形成活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），其中包括超氧根阴离子（O2.-），过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（.OH）等。由于活性氧具有强氧化性，极易对蛋白质、核酸、脂质和其他生物大分子造成氧化损伤，因此通常被认为是有氧代谢的副产物需要被细胞清除。
2017年赵忠教授团队发现，在植物茎顶端分生组织中，超氧根阴离子特异富集在干细胞所在的区域，是维持干细胞命运所必需的。一旦清除干细胞中的超氧根，则干细胞不能维持。而过氧化氢则主要分布在分化细胞中，是促进干细胞分化所必须的。超氧根和过氧化氢功能拮抗，是一类调控干细胞命运新的信号分子（Zeng et al., EMBO J, 2017）。然而，在真核生物中超氧根如何传递信号来决定干细胞属性的机制一直是未解之谜。
2024年9月12日，Nature Chemical Biology在线发表了赵忠教授团队题为Control of DNA demethylation by superoxide anion in plant stem cells的最新研究成果，解析了超氧根信号传递和决定真核生物干细胞命运的分子机制。
为了鉴定在真核生物中超氧根氧化的靶标蛋白，赵忠团队受原核生物中铁硫簇能够响应胞内多种氧化还原状态现象的启示，将目标聚焦在植物的铁硫簇结合蛋白。利用生物信息学分析，研究团队筛选到了25个预测在干细胞中表达的铁硫蛋白，并通过RNA原位杂交技术确定了其中的一个候选蛋白—DNA去甲基化酶Repressor of Silencing 1 (ROS1)。在ros1突变体中，干细胞的维持存在明显的缺陷，植物干细胞维持的关键基因WUSCHEL (WUS)表达量显著下调。遗传分析表明，ROS1基因介导了超氧根阴离子对WUS和植物干细胞命运的调控。在有氧条件下，利用体外溶液诱导产生超氧根，研究人员发现ROS1蛋白中结合的铁硫簇能够被超氧根所氧化。通过多种方法对ROS1酶活的分析表明，超氧根阴离子对铁硫簇的氧化能够显著激活ROS1的DNA糖苷酶/裂解酶的活性。这表明超氧根阴离子可以激活ROS1的DNA去甲基化酶活性，通过调控DNA的甲基化状态维持植物干细胞的命运。
为了探究ROS1介导超氧根阴离子调控干细胞维持的分子机制，研究团队利用ros1和内源超氧根缺乏的突变体进行了全基因组甲基化测序，鉴定到一个在甲基化水平和转录水平响应超氧根和ROS1调控的关键基因ARR12。ARR12编码一个细胞分裂素下游的关键转录因子，是激活干细胞关键调控基因WUS所必需的。进一步的分子生物学和遗传学分析表明，超氧根阴离子激活ROS1的DNA去甲基化酶活性，通过对ARR12基因位点的去甲基化激活其表达，进而调控WUS表达和维持干细胞的命运。通过对全基因组甲基化数据和干细胞表达谱的数据进行联合分析，研究团队发现干细胞区域约有40%的基因受到了ROS1介导的超氧根信号的调控。这表明在植物中超氧根信号通过调控DNA的去甲基化，广泛地参与了植物干细胞基因组水平的甲基化稳态调控。在论文的同行评议过程中，得到了三位审稿人的高度评价，认为“研究结果是改变游戏规则（game-changing）的，并有可能极大地改变当前的概念”。
中国科学技术大学赵忠教授为该论文的通讯作者，已毕业的博士生王世文为第一作者，博士生胡东平，广州大学刘敏副教授和董志诚教授也参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院先导B项目的支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-024-01737-8