近日，我院医学遗传系黄健副教授课题组在知名期刊《Carbon》（影响因子10.5）在线发表了题为《Carbon dots-driven epigenome reprogramming reshapes DNA methylation landscapes in rice》的研究论文。该研究首次揭示了碳点（Carbon dots, CDs）通过重编程表观基因组影响DNA甲基化的新机制，显著拓展了碳材料在功能基因组学与表观遗传调控领域的应用前景。
碳纳米量子点（碳点）是一类具有显著荧光性能的零维碳纳米材料，由尺寸低于10 nm的碳纳米颗粒组成，表面含有丰富的含氧官能团，在自然界也广泛存在，因其较高的生物相容性在生物医药、靶向治疗、农业生产等方面具有很高的应用前景。尽管碳点已在多个物种中被证明了其生物安全性，但是它发挥作用的分子机制，对基因组稳定性的潜在影响，尤其对表观遗传层面的调控机制，此前尚不明确。
研究人员首先自主合成了尺寸在3-5nm的碳量子点，以模式生物水稻作为研究载体，发现碳点能够显著促进种子发芽、根系生长，同时特异性地提高了光合作用过程中的光反应效率，清除自由基的能力提高了30%，这一特性在小鼠和线虫中也得到了验证。
课题组进一步利用全基因组甲基化测序技术（BS-seq），评估了碳点对DNA甲基化水平的影响。结果表明，碳点处理显著提高了水稻基因组中CHG和CHH位点的胞嘧啶甲基化水平，而对CG位点的甲基化无明显影响，在着丝粒区、转座子位点等区域也未观察到基因组稳定性受损的现象。这一结果显示碳点可能通过靶向调控特定的DNA甲基化模式影响基因表达，同时也为碳基纳米材料的环境安全性提供了关键分子证据。
深入研究发现，碳点特异性识别并结合启动子区域的i-motif结构，激活了DNA甲基转移酶基因（OsCMT1/2/3）的表达，从而驱动了CHG和CHH甲基化水平的提升。启动子特异位点的基因编辑结果显示i-motif结构突变抑制了碳点的结合。这一发现提示了碳点可能通过“结构稳定+表达激活”的双重机制影响了特定基因的表观修饰模式。研究进一步证实，在光合作用、碳固定、逆境响应等关键生理过程相关基因区域，碳点诱导的差异甲基化与基因表达水平呈现显著正相关，这为深入解析碳点如何影响植物表型提供了直接的分子证据。
综上，该工作初步解析了碳点对DNA甲基化修饰的作用机制，从基因组稳定性角度明确了碳点的生物安全性，也支持了“环境响应-表观重塑-性状获得”的拉马克获得性遗传理论。
研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省“碳达峰碳中和”重点攻关专项等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120464