Dnmt1は、マウス初期胚においてDNAメチル化を介してゲノムレトロエレメンツと結合し、抑制する

Dnmt1 binds and represses genomic retroelements via DNA methylation in mouse early embryos.

• Byungkuk Min
• Jung Sun Park
• Young Sun Jeong
• Kyuheum Jeon
• Yong-Kook Kang

抄録

マウス初期胚におけるゲノム全体の受動的なDNA脱メチル化は、維持メチルトランスフェラーゼDNMT1の細胞質局在と関連している。しかし、最近の研究では、DNMT1の核内局在が、初期胚のインプリント領域や他のゲノム座のメチル化レベルの維持に寄与していることが明らかになってきた。DNAアデニンメチラーゼ同定法を用いて、4細胞胚と8細胞胚のDnmt1結合領域を同定した。その結果、遺伝子領域（プロモーターとCpG島）におけるDnmt1ピークの偏りのない分布と、Dnmt1ピークとピーク関連遺伝子の発現レベルとの間に相関がないことから、発生初期の遺伝子の転写制御にDnmt1が積極的に関与していることを否定するものである。その代わりに、Dnmt1はゲノム上のレトロエレメント、特にLINE1(long interspersed nuclear element)とERVK(endogenous retrovirus type K)の配列に大きく偏った形で関連していることが判明した。トランスクリプトーム解析の結果、Dnmt1ノックダウン胚では、Dnmt1に富むレトロエレメントの転写物が過剰に発現していることが明らかになった。最後に、メチル-CpG結合ドメインの配列解析により、野生型胚ではメチル化が濃かったDnmt1富化レトロエレメントが、Dnmt1欠損胚では脱メチル化することが明らかになった。これらの結果は、マウスの発生初期において、Dnmt1がDNAメチル化を介したレトロエレメントの抑制に関与していることを示しています。

Genome-wide passive DNA demethylation in cleavage-stage mouse embryos is related to the cytoplasmic localization of the maintenance methyltransferase DNMT1. However, recent studies provided evidences of the nuclear localization of DNMT1 and its contribution to the maintenance of methylation levels of imprinted regions and other genomic loci in early embryos. Using the DNA adenine methylase identification method, we identified Dnmt1-binding regions in four- and eight-cell embryos. The unbiased distribution of Dnmt1 peaks in the genic regions (promoters and CpG islands) as well as the absence of a correlation between the Dnmt1 peaks and the expression levels of the peak-associated genes refutes the active participation of Dnmt1 in the transcriptional regulation of genes in the early developmental period. Instead, Dnmt1 was found to associate with genomic retroelements in a greatly biased fashion, particularly with the LINE1 (long interspersed nuclear elements) and ERVK (endogenous retrovirus type K) sequences. Transcriptomic analysis revealed that the transcripts of the Dnmt1-enriched retroelements were overrepresented in Dnmt1 knockdown embryos. Finally, methyl-CpG-binding domain sequencing proved that the Dnmt1-enriched retroelements, which were densely methylated in wild-type embryos, became demethylated in the Dnmt1-depleted embryos. Our results indicate that Dnmt1 is involved in the repression of retroelements through DNA methylation in early mouse development.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of Nucleic Acids Research.