作为表观遗传学的重要修饰，DNA甲基化广泛存在于原核与真核生物中，并发挥关键调控作用。在原核生物中，DNA上胞嘧啶（Cytosine, C）的第四位氮元素可被甲基化修饰形成N4-甲基胞嘧啶（4mC）、第五位碳元素可被甲基化修饰形成C5-甲基胞嘧啶（5mC），腺嘌呤的第六位氮元素可被甲基化修饰形成N6-甲基腺嘌呤（6mA），虽然基因组上甲基化程度不高（大肠杆菌中，约0.5%-0.8%的胞嘧啶，1.5%-2%的腺嘌呤会被甲基化修饰），但DNA甲基化依然发挥着重要的作用，参与调控基因表达和防御反应。然而，在真核生物中，迄今仅发现5mC在基因组上广泛分布，6mA在单细胞生物中有零星分布，而4mC是否存在则仍有很大争议。

在真核生物中，DNA甲基转移酶Dnmt1和Dnmt3介导5mC的甲基化过程，该机制在各物种中高度保守。不同物种的5mC分布有所差异：在脊椎动物中，5mC主要发生在全基因组范围内的CG位点，约80%的CG在人体组织中被甲基化为5mCG；而在开花植物中，5mC则主要发生在转座子区域（Transposon Elements, TE），并存在在CG、CHG和CHH（H代表A、C或T）位点。在动植物的发育过程中，5mC水平在很大程度上保持稳定，一旦紊乱常导致严重发育异常和疾病。然而，在哺乳动物和开花植物的雄性生殖细胞（精子）发育过程中，5mC会经历重编程，这对精子成熟至关重要。

近日，奥地利科学技术研究所(IST Austria)冯小琦团队在Cell发表了题为Extensive N4 Cytosine Methylation is Essential for Marchantia Sperm Function的研究论文。该研究首次证明了4mC在真核生物中的存在，并详实地阐明，在精子成熟阶段，基因组上发生了广泛的4mC修饰，这对于精子发育与功能至关重要。

研究发现，4mC在陆地植物地钱(Marchantia polymorpha)精子发育过程中由一个新发现的甲基转移酶(Marchantia polymorpha DNA N4 CYTOSINE METHYLTRANSFERASE1a, MpDN4MT1a)修饰生成。该研究还发现精子发育经历了两波DNA甲基化重编程：第一波是由MpCMTa和MpDNMT3b调控的5mC重编程，表现为non-CG (CHG和CHH) 位点的全基因组扩张及转座子区域CG位点甲基化的增强；第二波是由MpDN4MT1a调控的4mCG重编程，特异发生于基因区域(genic region)并在精子成熟后期发生（图1）。

图1地钱精子发育过程中甲基化重编程及4mC作为功能性DNA修饰的作用机制

该研究首次证实了4mC在真核生物中的存在，揭示了在地钱精子成熟过程中基因组范围内编码区的大规模4mC修饰，保障了精子的正常发育和正常功能，对精子命运的重要决定性，发现并鉴定了负责4mC修饰的真核4mC甲基转移酶。此研究拓展了真核生物中表观遗传学的认知，发现了参与生殖发育过程至关重要的表观遗传学新修饰，开创了4mC在真核生物中功能的研究新方向，拓展了表观遗传学领域的边界。

该论文的通讯作者为现任奥地利科学技术研究所（ISTA），前任英国John Innes Centre (JIC) 的冯小琦教授。James Walker (JIC, 现任职于The Salk Institute)、张静懿（JIC，现任职于华体会首存 农学院）、刘亚林（JIC，现任职于华体会首存 生命科学学院）和许淑娟（ISTA）为本文共同第一作者。于义溟 (ISTA) 、Martin Vickers (JIC) 、欧阳维枝(ISTA) 、Judit Tálas (JIC) 、Liam Dolan (Gregor Mendel Institute of Molecular Plant Biology)、Keiji Nakajima (Nara Institute of Science and Technology) 参与了研究。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00287-9