Multicellular eukaryotes produce small RNA molecules (approximately 21-24 nucleotides) of two general types, microRNA (miRNA) and short interfering RNA (siRNA). They collectively function as sequence-specific guides to silence or regulate genes, transposons, and viruses and to modify chromatin and genome structure. Formation or activity of small RNAs requires factors belonging to gene families that encode DICER (or DICER-LIKE [DCL]) and ARGONAUTE proteins and, in the case of some siRNAs, RNA-dependent RNA polymerase (RDR) proteins. Unlike many animals, plants encode multiple DCL and RDR proteins. Using a series of insertion mutants of Arabidopsis thaliana, unique functions for three DCL proteins in miRNA (DCL1), endogenous siRNA (DCL3), and viral siRNA (DCL2) biogenesis were identified. One RDR protein (RDR2) was required for all endogenous siRNAs analyzed. The loss of endogenous siRNA in dcl3 and rdr2 mutants was associated with loss of heterochromatic marks and increased transcript accumulation at some loci. Defects in siRNA-generation activity in response to turnip crinkle virus in dcl2 mutant plants correlated with increased virus susceptibility. We conclude that proliferation and diversification of DCL and RDR genes during evolution of plants contributed to specialization of small RNA-directed pathways for development, chromatin structure, and defense.

Proteins of the ARGONAUTE family are important in diverse posttranscriptional RNA-mediated gene-silencing systems as well as in transcriptional gene silencing in Drosophila and fission yeast and in programmed DNA elimination in Tetrahymena . We cloned ARGONAUTE4 ( AGO4 ) from a screen for mutants that suppress silencing of the Arabidopsis SUPERMAN ( SUP ) gene. The ago4-1 mutant reactivated silent SUP alleles and decreased CpNpG and asymmetric DNA methylation as well as histone H3 lysine-9 methylation. In addition, ago4-1 blocked histone and DNA methylation and the accumulation of 25-nucleotide small interfering RNAs (siRNAs) that correspond to the retroelement AtSN1 . These results suggest that AGO4 and long siRNAs direct chromatin modifications, including histone methylation and non-CpG DNA methylation.

Nucleosome remodelers of the DDM1/Lsh family are required for DNA methylation of transposable elements, but the reason for this is unknown. How DDM1 interacts with other methylation pathways, such as small-RNA-directed DNA methylation (RdDM), which is thought to mediate plant asymmetric methylation through DRM enzymes, is also unclear. Here, we show that most asymmetric methylation is facilitated by DDM1 and mediated by the methyltransferase CMT2 separately from RdDM. We find that heterochromatic sequences preferentially require DDM1 for DNA methylation and that this preference depends on linker histone H1. RdDM is instead inhibited by heterochromatin and absolutely requires the nucleosome remodeler DRD1. Together, DDM1 and RdDM mediate nearly all transposon methylation and collaborate to repress transposition and regulate the methylation and expression of genes. Our results indicate that DDM1 provides DNA methyltransferases access to H1-containing heterochromatin to allow stable silencing of transposable elements in cooperation with the RdDM pathway.

Epigenetic silenced alleles of the Arabidopsis SUPERMAN locus (the clark kent alleles) are associated with dense hypermethylation at noncanonical cytosines (CpXpG and asymmetric sites, where X = A, T, C, or G). A genetic screen for suppressors of a hypermethylated clark kent mutant identified nine loss-of-function alleles of CHROMOMETHYLASE3 ( CMT3 ), a novel cytosine methyltransferase homolog. These cmt3 mutants display a wild-type morphology but exhibit decreased CpXpG methylation of the SUP gene and of other sequences throughout the genome. They also show reactivated expression of endogenous retrotransposon sequences. These results show that a non-CpG DNA methyltransferase is responsible for maintaining epigenetic gene silencing.

Parent-of-origin-specific (imprinted) gene expression is regulated in Arabidopsis thaliana endosperm by cytosine demethylation of the maternal genome mediated by the DNA glycosylase DEMETER, but the extent of the methylation changes is not known. Here, we show that virtually the entire endosperm genome is demethylated, coupled with extensive local non-CG hypermethylation of small interfering RNA-targeted sequences. Mutation of DEMETER partially restores endosperm CG methylation to levels found in other tissues, indicating that CG demethylation is specific to maternal sequences. Endosperm demethylation is accompanied by CHH hypermethylation of embryo transposable elements. Our findings demonstrate extensive reconfiguration of the endosperm methylation landscape that likely reinforces transposon silencing in the embryo.

Eukaryotic chromatin is separated into functional domains differentiated by post-translational histone modifications, histone variants and DNA methylation. Methylation is associated with repression of transcriptional initiation in plants and animals, and is frequently found in transposable elements. Proper methylation patterns are crucial for eukaryotic development, and aberrant methylation-induced silencing of tumour suppressor genes is a common feature of human cancer. In contrast to methylation, the histone variant H2A.Z is preferentially deposited by the Swr1 ATPase complex near 5' ends of genes where it promotes transcriptional competence. How DNA methylation and H2A.Z influence transcription remains largely unknown. Here we show that in the plant Arabidopsis thaliana regions of DNA methylation are quantitatively deficient in H2A.Z. Exclusion of H2A.Z is seen at sites of DNA methylation in the bodies of actively transcribed genes and in methylated transposons. Mutation of the MET1 DNA methyltransferase, which causes both losses and gains of DNA methylation, engenders opposite changes (gains and losses) in H2A.Z deposition, whereas mutation of the PIE1 subunit of the Swr1 complex that deposits H2A.Z leads to genome-wide hypermethylation. Our findings indicate that DNA methylation can influence chromatin structure and effect gene silencing by excluding H2A.Z, and that H2A.Z protects genes from DNA methylation.

Cytosine DNA methylation silences harmful DNAs such as transposons and retroviruses ([ 1 ][1]). Maintenance DNA methyltransferases propagate pre-existing DNA methylation in the CG sequence context by methylating hemi-methylated sites after DNA replication. Much less is understood about how invasive

RNA interference is a conserved process in which double-stranded RNA is processed into 21–25 nucleotide siRNAs that trigger posttranscriptional gene silencing. In addition, plants display a phenomenon termed RNA-directed DNA methylation (RdDM) in which DNA with sequence identity to silenced RNA is de novo methylated at its cytosine residues. This methylation is not only at canonical CpG sites but also at cytosines in CpNpG and asymmetric sequence contexts. In this report, we study the role of the DRM and CMT3 DNA methyltransferase genes in the initiation and maintenance of RdDM. Neither drm nor cmt3 mutants affected the maintenance of preestablished RNA-directed CpG methylation. However, drm mutants showed a nearly complete loss of asymmetric methylation and a partial loss of CpNpG methylation. The remaining asymmetric and CpNpG methylation was dependent on the activity of CMT3, showing that DRM and CMT3 act redundantly to maintain non-CpG methylation. These DNA methyltransferases appear to act downstream of siRNAs, since drm1 drm2 cmt3 triple mutants show a lack of non-CpG methylation but elevated levels of siRNAs. Finally, we demonstrate that DRM activity is required for the initial establishment of RdDM in all sequence contexts including CpG, CpNpG, and asymmetric sites.

Intergenerational Transposable Shutdown Transposable elements (TEs) are a potential threat, especially to the germline genome. In many eukaryotes, TEs are shut down by DNA methylation and/or small-RNA–mediated silencing. Therefore, it seems counterintuitive that results obtained by Ibarra et al. (p. 1360 ) on Arabidopsis showed that in the cells of this plant's sexual apparatus, many small TEs are demethylated by DEMETER (DME) DNA glycosylase and become activated. But it turns out that activation of the TEs triggers the formation of small-interfering RNAs, which in these experiments were seen to travel from the surrounding cells to the egg. Thus, activation of TEs in the companion cells “immunizes” the gametes via the interfering RNAs that shutdown the TEs in the gametes permanently.