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Nature文章揭示RNA甲基化多重功能
日期:2017年09月04日    来源:云序生物

RNA甲基化介绍

分子生物学中心法则中,遗传信息逐级从DNA、RNA流向蛋白质。基因组DNA和组蛋白上都存在可逆的表观遗传修饰。这些修饰可调控基因的表达,并由此决定细胞的状态,影响细胞的分化和发育。近年来人们又发现,除了传统表观遗传修饰外,RNA上也存在这一类修饰,发挥着固定的生理学功能。

 

图注:RNA甲基化修饰位点

RNA甲基化(RNA methylation)作为新发现表观遗传学研究的重要内容之一,是指发生在RNA 分子上不同位置的甲基化修饰现象,6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)和 5-甲基胞嘧啶(C5-methylcytidine,m5C)是真核生物中常见的两种 RNA 转录后修饰。 RNA甲基化在调控基因表达、编辑、稳定性及降解等方面扮演重要角色。相对于 DNA 甲基化,RNA甲基化更加复杂,种类繁多,且普遍存在于各种生物中。由于缺乏有效检测手段,相关研究多局限于非编码 RNA、rRNA及小部分编码转录片段,多数 RNA甲基化功能研究方兴未艾,亟待解决!


 

图注:m6A及m5C RNA甲基化修饰研究方法

目前m6A RNA甲基化修饰检测多采用MeRIP-seq实验方法,该方法与DNA甲基化检测手段MeDIP-seq类似,通过m6A甲基化抗体处理样品并结合高通量测序确定转录组m6A修饰位点发生位置。而m5C RNA甲基化修饰检测多采用Bisulfite-seq实验方法,利用重亚硫酸盐处理RNA并结合高通量测序在单碱基范围内确定RNA m5C修饰发生位点。

案例1 环状RNA m6A甲基化修饰促进蛋白质翻译

环状RNA在某些病毒中普遍存在,然而近年才在真核生物中大量发现这种成环RNA。人类的环状RNA主要是由外显子的反向剪接产生的,关于其生物功能尚无定论。

在今年3月10日,中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所研究员王泽峰在《细胞研究》(Cell Research)上在线发表了题为Extensive translation of circular RNAs driven by N6-methyladenosine 的研究论文,该研究发现大量的环状RNA可作为信使RNA来编码蛋白,这些环状信使RNA通过一种常见的RNA甲基化修饰m6A ,驱动非帽依赖型的翻译机制来合成蛋白质。这项工作极大地拓展了人类对环状RNA的认知,也使我们了解RNA甲基化修饰具有重要生理意义。

环状RNA m6A修饰可促进蛋白质翻译

图注:m6A RNA甲基化促进蛋白质翻译

近来研究发现在细胞应激条件下,有些mRNA可以不依赖于帽结构而靠一个叫IRSE的顺式调控原件从mRNA的中间启动翻译。作者在前期工作中发现插有IRES的编码GFP的环状RNA可以在细胞中被翻译。在这项新工作中作者发现环状RNA富含m6A甲基化修饰,而且这些碱基修饰可以像IRES一样驱动环状RNA进行非帽结构依赖型翻译。

环状RNA m6A修饰招募蛋白因子进行翻译

图注:非帽结构依赖型翻译模型

文章作者进一步研究了环状RNA的翻译机制,发现m6A识别蛋白YTHDF3能够结合到环状RNA m6A修饰位点,之后通过募集eIF4G2和其他翻译起始因子来驱动环状RNA进行翻译。同时,他们通过多核糖体分析和环状RNA测序发现大量的环状RNA与多核糖体结合在一起。并利用质谱学的方法鉴定了一系列由环状RNA反向剪切位点编码的新肽段。

案例2   m5C RNA 甲基化修饰调控基因出核新机制

m5C作为一种重要的RNA修饰手段,首先被发现在tRNA和rRNA中高丰度存在,利用高通量测序手段,多种m5C修饰位点也被进一步验证。近期研究表明,多种非编码RNA和mRNA具有m5C修饰位点,但多种物种或不同组织中m5C的分布图谱尚没有系统性的报道,m5C具体的功能机制仍是一个谜。近期中科研汪海林等研究团队揭示了m5C修饰在mRNA的分布图谱规律及其对调控mRNA出核作用新机制。该研究成果以5-methylcytosine promotes mRNA export--NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an m5C reader 为题,于今年4月18日在《细胞研究》(Cell Research)杂志发表。

m5C RNA甲基化修饰精细表达谱构建

图注:mRNA中m5C的分布规律及组织特异性表达

首先,作者通过改进的RNA m5C单碱基分辨率高通量测序技术手段,揭示了不同物种、不同组织中mRNA m5C的分布规律,并绘制了精细的m5C修饰图谱,发现m5C普遍在mRNA的翻译起始位点明显富集,并主要分布于CG富集区域。通过分析对比人和小鼠不同组织,发现m5C在mRNA上的分布特征在哺乳动物中十分保守,且具有组织特异性。

m5C RNA甲基化修饰调控基因出核机制

图注:mRNAm5C修饰调控基因出核模板

在获得精细的RNA m5C单碱基分辨修饰图谱后,研究人员发现NSUN2蛋白是主要的mRNA m5C甲基转移酶,活性位点为C271和C321,NSUN2功能缺失将导致mRNA的出核受到抑制。进一步研究发现,出核调控蛋白ALYREF通过第171位赖氨酸特异性结合m5C,进而促进mRNA出核。至此,研究团队发现了mRNA m5C主要通过与甲基转移酶NSUN2(Writer)及其结合蛋白ALYREF(Reader)相互作用来调控其出核。


RNA甲基化总结

RNA甲基化相关研究刚刚起步,科研前景极大(免费索取云序生物RNA甲基化详细实验方案)。从目前报道文献来看,RNA甲基化修饰可能与人体癌症等疾病密切相关,但实验数据尚需大量补充。对RNA甲基化修饰的研究,将有助于科学家解释各种与RNA有关生物过程的发生机制,并以实验为基础对RNA甲基化修饰进行调控,以达到预防、治疗疾病的目的。

王泽峰研究员简介:

中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所所长、研究组长、博士生导师。曾获杰弗逊基础医学奖、Kimmel学者将等。研究方向主要为RNA水平的基因表达调控。建立了大规模细胞内剪接鉴定系统,并以此在全转录组层面阐析可变剪接的调控机理;深入研究癌症中异常可变剪接的调控机理及其生物功能,发现剪接因子RBM4的抑癌机理;运用合成生物学的方法设计构建人工蛋白来特异性调控RNA的剪接加工。以上科研成果,先后发表于“Cell, Mol Cell, Nat Struct Mol Biol, Nat Commun, PNAS, Cancer Cell”等重要期刊。

汪海林研究员简介:

中国科学院生态环境研究中心研究员、博士生导师。我国杰出青年科学基金获得者,中国科学院“百人计划”入选者。曾获中科院院长特别奖,中国分析测试协会科学技术特等奖。研究方向包括:高灵敏DNA损伤和修饰分析;DNA同源重组修复机制;DNA N6-甲基腺嘌呤修饰 (6mA) 功能与调控机制;环境小分子调控DNA甲基化效应与机制。研究发现了高等真核生物基因组N6-甲基腺嘌呤新修饰方式,是表观遗传领域原创性突破。已在“Cell, PNAS,JACS”等国际知名学术刊物上发表SCI收录论文100余篇,他引800多次。

相关论文:

Effcient backsplicing produces translatable circular mRNAs. RNA, 2015

Extensive translation of circular RNAs driven by N6-methyladenosine. Cell Res, 2017

5-methylcytosine promotes mRNA export--NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an m5C reader. Cell Res, 2017

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