全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第6期，2005年12月710
拟南芥印迹基因 ME A
张文伟1 江玲1 曹少先2 万建民1,*
1 南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室，南京 210095；2 南京大学生命科学学院，南京 210093
Imprinted MEA in Arabidopsis
ZHANG Wen-Wei1, JIANG Ling1, CAO Shao-Xian2, WAN Jian-Min1,*
1State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2School of Life Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China
提要 MEDEA (MEA)是第1个在拟南芥胚乳中发现的印迹基因。MEA基因的印迹受甲基转移酶MET1和DNA糖基酶DME
之间的拮抗作用调控。MEA 基因编码 polycomb group (PcG)蛋白，并与 FIE、MSI1 等其他 PcG 蛋白形成复合物，维持与
细胞增殖相关基因的表达抑制状态。mea 突变会启动未受精状态下中央细胞核的复制，而使种子发生败育。目前已发现
I 型 MADS box 基因 PHERES1 是受 MEA 直接作用的。研究 MEA 基因对种子发育的调控，不仅有助于阐明原胚及胚乳启
动的机制，在无融合生殖研究中也有意义。PcG 蛋白在动植物中的强保守性说明，PcG 基因印迹在个体发育过程中有调
控作用。
关键词 MEA；印迹；PcG 蛋白
收稿 2005-05-17 修定 　2005-10-27
资助 国家自然科学基金(30471120)和江苏省自然科学基金创
新人才项目(BK2003415)。
*通讯作者(E-mail: wanjm@caas.net.cn, Tel: 025-
84396516)。
遗传学研究表明，来自双亲的同源染色体或
等位基因在功能上存在差异。这种同源染色体上
基因表达活性不同的遗传现象称之为基因组印迹
(genomic imprinting)。基因组印迹与胚胎发育有
关，已发现哺乳动物的许多印迹基因控制胚胎的
生长，并仅在外胚组织中表达。外胚组织是母体
向胚胎输送营养物质的渠道，开花植物种子的胚
乳具有与之相似的功能，也是发生基因印迹的重
要部位。早在1970年，Kermicle[1]就已发现，调
控玉米糊粉层中花青素积累的 R 基因会发生印
迹。但是，玉米胚乳中先后鉴定到的印迹基因对
种子的形态发生均无明显影响，因此种子发育中
印迹基因功能的研究，绝大部分来自种内不同染
色体倍性间杂交的结果[2~4]。直到1998年，Gross-
niklaus等[5]发现，拟南芥MEDEA (MEA)基因对胚
胎发生有母源控制的作用。随后的研究证实 MEA
在胚乳中得到印迹，而且 MEA 编码产物与果蝇和
哺乳动物的PcG 蛋白同源，后者对同源异型基因
的表达及细胞增殖均具有调控作用。至此，基因
组印迹对种子发育的影响才取得突破性进展。本
文就 M E A 基因的研究进展作介绍。
1 MEA 基因的结构和功能
MEA 基因编码一种具有 SET 结构域的 PcG 蛋
白，由 689 个氨基酸残基组成。SET 这个缩写分
别来自于果蝇的 3 个基因，它们均含有一个编码
1 3 0 个氨基酸的基序：位置效应异质性抑制子
[suppressor of position-effect variegation gene, Su
(var)3~9]、zeste多冠族基因增强子[enhancer of
zeste polycomb group gene, E(z)]和Trithorax基因
trx-G。MEA 基因编码产物与E(z)蛋白相似。mea
突变导致种子败育，纯合 mea/mea 植株有 95%~
100% 的种子发生败育。目前已鉴定到5种 mea 等
位基因突变，包括mea-1、2，f644 (mea-3)，胚
缺陷型173 [embryo-defective 173，emb173或mea-
4]和不依赖受精的种子 (fertilization-independent seed,
fis1)(图1)。mea-1突变是由于玉米转座子Ac/Ds
插入 SET 区造成的，Ds 切除后留下的足迹使得该
区出现 2 个连续的终止密码子，即 mea-2 突变。
f644、emb173和fis1突变则均是由于MEA编码序
列发生单碱基突变，产生提前终止的密码子。这
些 mea 突变可能均为隐性的功能丧失性的突变，
但目前这只在 3 种突变基因中证实。
M E A 的功能在于限制种胚发生中的细胞增
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殖。在种胚发生早期，mea 突变体的胚和胚乳发
育与野生型无异。到球形胚晚期，mea-1 突变体
胚开始出现细胞的过度增殖，分裂周期的增多导
致mea-1 胚的每个形态发生阶段均延长，并在心
形期停止发育，形成巨大的心形胚，后者在种子
干燥过程中降解。从球形胚期过渡到心形胚期
时，野生型胚乳通常开始胞质分裂，而此时mea-
1 胚乳中观察不到胞质分裂，且核分裂变缓，直
至心形胚晚期时，珠孔端才发生部分胞质分裂。
mea-2的表型与mea-1相似，mea-3则与 mea-4的
表型相似：在未受精状态下能活化中央细胞的核
复制，于是种皮开始发育，角果伸长，并形成
类似于种子的结构(seed-like structure); 受精后，胚
发育晚期的细胞增殖受抑而止于心形期，并发生
败育，胚乳则过度增殖，这与 mea- 1、2 相反。
Kiyosue 等[6]认为，这可能与mea-1、2仍具有除
SET 以外的其他重要的上游结构域有关，而 mea-
3、4 可能缺少 PcG 蛋白活性所需的大多数结构
域。因此，与 mea-3、4 相比，mea-1、2 可能
仍残存PcG 蛋白的一些活性。fis1 也能自发形成
二倍体胚乳(游离核或胞质分裂阶段)，并偶尔在
珠孔端生成类似于合子和胚早期的结构。根据
mea 突变体的表型推断，MEA 的功能就是阻止未
受精状态下中央细胞核的复制，限制受精后胚乳
的增殖，并且直接或间接地维持种胚发生的正常
细胞增殖水平。胚和胚乳的表型变化是否均为
me a 突变的直接后果，目前还不清楚。
现已证实，PcG 蛋白普遍存在于哺乳动物、
昆虫和真菌中，它可在基因组的特定区域形成复
合物，通过对组蛋白的修饰作用，进行染色质重
塑，维持基因表达的抑制状态，抑制特定基因的
转录。mea 突变体的表型说明，MEA 可能维持与
细胞增殖相关基因的表达抑制状态[7]。
2 MEA 基因的表达
Vielle-Calzada等[8]用原位杂交研究MEA基因
的时空表达模式的结果表明，受精前的雌配子体
和受精后的胚和胚乳中均可检测到 MEA mRNA，
而在其它花器官发育的任何阶段，如花瓣、萼
片、雄蕊和心皮中，均未检测到 M E A 表达。处
于发育阶段或成熟的花粉粒中也未检测到 MEA 表
达。MEA 在胚中的表达一直延续至心形胚晚期和
鱼雷形胚期，在胚乳中主要是在胞质分裂前表
达，但在合点胚乳中 M E A 可持续表达。
3 MEA 基因的印迹
me a 突变对种子发育的影响具有亲源效应，
只有母源 mea 才能产生上述突变表型，即种子的
发芽力只决定于母源 MEA 的基因型，父源等位基
因是非必需的。Grossniklaus等[5]采用mea-1杂合
体与野生型四倍体杂交的结果显示，附加的父本
野生型 MEA 基因不能拯救这种具有母源效应的致
死性，从而排除了胚乳中 MEA 与 mea 基因的剂量
差异导致种子败育的可能，并推测受精后 MEA 的
表达可能受基因组印迹的调控。
Vielle-Calzada等[8]采用原位杂交技术，检测
中央细胞的核点时，证实父源 MEA 基因在胚乳发
育早期表现为转录沉默。他们认为父源 MEA 基因
在胚和胚乳中均被沉默，其原因可能在于受精后
整个父本基因组的活化延迟至授粉后80 h。但是
Kinoshita等[9]认为，父源和母源MEA基因在胚发
育的各个时期均是表达的，胚乳中只有 MEA 母源
基因表达，营养组织中则为双等位基因表达。
Luo 等[10]的研究表明，MEA 在胚乳发育早期被印
迹，发育晚期印迹中止(break down)，此时父源
MEA::GUS 融合基因不仅在合点胚乳中表达，在
胚中也呈低频表达，说明 MEA 的印迹具有时空表
图1 4种突变mea等位基因[6]
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达模式。此外，已确认MEA 为基因座印迹(locus
imprinting)，即已知的来自不同遗传背景的所有等
位基因，其表达均受到亲本来源的控制[8]。
根据 Haig 和 Westoby[11,12]的亲本冲突学说
(parental conflict theory)，抑制胚乳发育的基因应
是母源表达而父源沉默，促进胚乳发育的基因则
相反。MEA 的功能是只限制向胚提供营养的胚乳
发育，且母源等位基因表达而父源沉默，与亲本
冲突学说相符。另外，M E A 编码 P c G 蛋白，可
能是一种维持基因表达抑制状态的染色质修饰酶，
在促进胚乳增殖的基因中建立印迹。
4 MEA 基因印迹的机制
DEMETER (DME)基因对 MEA 基因的母源专
一性表达起至关重要的作用。Choi 等[13]认为，
DME 是 MEA 表达的正调控因子，是 MEA 在发育
中的花芽、受精前的中央细胞和受精后胚乳中表
达所必需的。DM E 编码具有 D N A 糖基酶结构域
的高分子量蛋白。D N A 糖基酶在 D N A 修复中起
作用，推测 DME 可能通过切除 5- 甲基胞嘧啶而
活化 M E A 的表达。D M E 只在受精前雌配子体的
极核和助细胞中表达，受精后迅速停止表达。因
此，可推测在配子形成后，母源和父源 M E A 均
沉默。受精前，D M E 以其未知的表遗传
(epigenetic)功能，在中央细胞中活化母源MEA等
位基因的表达。由于 D M E 不在雄蕊中表达，所
以父源基因不能活化。受精后，为 D M E 表遗传
“标记”(epigenetically “marked”)的母源基因在
整个胚乳发育过程中可持续表达，但由于胚乳中
缺乏 D M E ，父源基因仍不能表达。另外，M E A
在胚中的表达肯定不是受 DME 介导活化的。这说
明卵细胞和中央细胞在表遗传上有差异。
最近有报道认为，DN A 甲基化在 ME A 的印
迹机制中起着重要作用。甲基转移酶1 (methyltrans-
ferase 1，MET1)是拟南芥中主要的维持性(main-
tenance)甲基转移酶。Xiao等[14]发现，雌配子体
的母源met1突变可以抑制dme突变介导的种子败
育，但需要野生型的母源 M E A。M E A 启动子有
3个区域被甲基化，met1 突变种子中甲基化程度
降低。ddm1-2 (decrease in DNA methylation1, DDM)
突变体可引起基因组甲基化程度的下降，但不能
抑制dme 突变。因此，dme 与 met1 间的遗传作用
是特异性的。这些资料表明，M E A 印迹是受
MET1 甲基转移酶和 DME DNA 糖基酶之间的拮抗
作用调控的。FWA 基因的印迹机制与 MEA 相似，
说明 MET1 和 DME 对印迹的调控是一种普遍的机
制。另外，由于胚乳染色体不会传递给子代，在
中央细胞内建立及受精后胚乳中所维持的印迹无需
在每代中重新设定，而表现为单向控制(one-way
control)[15]。
D D M 编码一种对 A T P 依赖的属于 S W I 2 /
SNF2-like 家族的染色质重塑蛋白。ddm1 突变体
中，5-甲基胞嘧啶含量下降了70%。Vielle-Calzada
等[8]发现 ddm1 可抑制母源 mea 引起的种子败育，
推测DNA 低甲基化可能会导致父源 MEA 等位基因
的活化，认为 DDM1 可能是维持种子发育过程中
MEA 印迹所需。Luo 等[10]对此提出了质疑。他们
发现，低甲基化亲本的导入(MET1反义植株)可拯
救 mea 突变，但并不需要父源 MEA 基因，而且
低甲基化并不能激活父源 M E A 基因的表达。因
此，低甲基化的作用可能在于改变种子发育早期
起作用的其它父源基因的表达。
5 MEA 与其它蛋白的相互作用
在研究无融合生殖(apomixis)的过程中，先
后鉴定到了3 种拟南芥fis 突变基因，即FIS1/
MEDEA、FIS2、FIS3/FIE (不依赖受精的胚乳，
fertilization-independent endosperm)[10,16,17]。FIS2和
FIE 突变体的表型与 mea 非常相似，且具有亲源
效应。这 3 个基因的编码产物均与果蝇 PcG 蛋白
相关：FIS1/MEDEA 与 E(z)相关；FIS2 是一种含
C2H2 锌指结构的转录因子，与Zeste 抑制因子12
[sup-pressor of zeste12, Su(z)12]同源；FIS3/FIE
则与额外性毛状物(extra sex combs, Esc)同源。
E(z)、Su(z)12和Esc在同一个复合体中作用，抑
制基因的转录。FIE 和 MEA 与 E(z)/Esc 相似，在
体外也可相互作用，形成约600 kD的复合物。此
外，哺乳动物中与FIE 和 MEA 同源的 ENX1 和 EED
也相互作用，说明 PcG 蛋白以及它们之间相互作
用的强保守性。
Köhler等[18]报道，具有WD-40结构域的MSI1
蛋白也是 FIE/MEA 复合物的组分之一，可与 FIE
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直接作用。msi1突变也会导致种子败育，且具有
母源效应，并能以高外显率(>80%)启动未受精状
态下的胚乳发育，而 mea 突变体只有15%~20% 的
外显率。Kiyosue等[6]推测，这可能与遗传冗余有
关，具有 SET 结构域的其他 PcG 蛋白如 CURLY
LEAF(CLF)能取代 MEA 的功能。其它 4 个 MSI1-
like蛋白——MSI2~5均不能取代MSI1的功能，因
此msi1突变具有比mea高得多的外显率。msi1突
变还减弱了双受精过程，胚乳核多数来自于二倍
体中央细胞核。这一现象在 fis 突变体中也有报
道。MEA、FIE 和 MSI1 的总分子量只有 169 kD，
说明复合物中还有其它蛋白，如FIS2。此外，由
于在单子叶植物如玉米中均可找到同源基因，所
以 MEA-FIE-MSI1 复合物在单子叶和双子叶植物
中可能是非常保守的[18]。
6 MEA 复合物的靶基因
MEA 基因是以希腊神话中的女祭司 Medea 命
名的。Medea 为报复其夫的不忠，杀死了自己的
儿子Pheres 和 Meidos。目前已发现的 MEA 复合
物的两个靶基因就分别命名为PHERES1 (PHE1)和
MEIDOS (MEO)。PHE1 属于 I 型 MADS-box 蛋
白。MADS-box 蛋白在发育过程中具有同源异型
功能。MEO 可能是 S 期的一种与激酶相关的蛋白
1 (S-phase kinase-associated protein 1, Skp1)，是
SCF 泛素连接酶复合物的核心组分，标记需要降
解的细胞周期调控因子和转录因子。
Köhler 等[19]报道，MEA 复合物直接作用于
PHE1 启动子，以致 PHE1 的表达受 MEA、FIS2
和 FIE 的紧密调控。在野生型植株中，PHE1 只
在受精后的胚和胚乳中瞬时表达；而mea和fie突
变体中，P H E 1 和 M E O 转录水平均上升，其中
PHE1 的高水平表达持续到种子败育。此外，在
未受精fie 突变体自发形成胚乳之前，PHE1 的表
达抑制早已被解除。这均与 FIS 基因具有转录抑
制功能的推论一致。如采用反义抑制降低 mea 突
变体中 PHE1 表达水平，可抑制种子败育，表明
PHE1 在 MEA 调控途径中起关键作用，是决定 fis
突变体致死表型的主要因素。但是，反义抑制
PHE1所拯救的mea 种子在干燥后出现发育缺陷和
萌发率降低，表明仅削弱 PHE1 表达并不足以完
全恢复种子的正常发育。
研究表明，纯合的 ddm1 突变拯救 mea 种子
败育并不需要父源MEA 基因。结合Luo 等[10]的结
果，可推测，在 mea 突变体中的 MEA 下游靶基
因的野生型表达模式可能是通过 DNA 甲基化和染
色质结构的改变而得以重建。Köhler 等[19]发现纯
合的ddm1 mea 双突变体中，PHE1 的表达水平较
之mea突变体发生显著下降，说明ddm1和 mea间
的遗传互作影响了 PHE1 的表达，而 mea 突变体
的种子败育在很大程度上是由PHE1的表达失控所
介导的。
7 结语
MEA 在植物的营养生长阶段也是表达的，目
前还不清楚在雌配子体发生之前，MEA 的表达是
何时及如何被沉默的。此外，M E A 启动子的甲
基化程度是否直接调控 MEA 的表达，而 DME 又
是如何克服 MET1 所介导的对 MEA 表达的抑制作
用，均亟待进一步深入研究。
哺乳动物印迹基因的异常甲基化会导致发育
畸形、肿瘤等疾病，而 M E A 基因突变则引起种
子败育[20]，这些相似性以及PcG 蛋白在动植物间
的保守性均说明，深入研究MEA-FIE- MSI1 复合
物的功能，不仅对阐明启动原胚及胚乳形成的分
子机制具有重要意义，而且对整个发育生物学研
究的影响也将是深远的。
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