|
RNA表观遗传学的“扛把子”何川老师喊大家来读综述了——这还是何川老师第一次在Cell上综述这个火爆的领域。作为圈内的一个小学生，笔者今天就来介绍一下这篇综述文章，并借此写一点自己的想法。 笔者之前讲过，人们逐渐意识到RNA在中心法则中的核心位置。RNA上的100多种修饰，使得它在基因序列信息之外，又多了一层调控信息，由此一来，同样的转录水平，最终产生蛋白质的总量和时间分布却大不相同，同样的基因序列，也可以翻译出不同序列的蛋白。通过RNA修饰，基因表达在序列没有改变的情况下出现了差异，人们逐渐习惯在表观遗传学的大背景下探讨RNA修饰，这也是笔者本人对何川老师提出的RNA epigenetics的理解。 由于蛋白质是生命活动的主要执行者，而蛋白质直接翻译自mRNA，所以一段时间以来，RNA修饰研究的进展也主要集中于mRNA，但这不意味着RNA修饰的调控作用仅限于mRNA。这篇综述文章除了总结了mRNA上修饰的研究进展，还分析展望了非编码RNA修饰的研究，对启发研究者的思路颇有裨益。 mRNA上的各种修饰 图1，综述中提及的各种RNA修饰 小伙伴们最为熟悉的应该是m6A了。m6A是mRNA中最丰富的修饰。不过长期以来，由于单个基因的mRNA含量实在太低，人们对这一修饰的认识也十分有限。2011年，何川老师实验室的贾桂芳博士和付晔博士发现了第一个mRNA的m6A修饰去甲基酶——FTO，才宣告了之前“洪荒时代”的结束，也开启了RNA修饰研究的黄金时代。 其它的RNA修饰小伙伴们或许较为陌生，但其实它们都算“身出名门”。m1A在tRNA上极其丰富，假尿嘧啶则是第一个被发现的RNA修饰，但直到最近人们才确认，在mRNA上同样有它们的身影。m5C在DNA中的兄弟5mC大名鼎鼎，在mRNA中的研究也是最近才多了起来。 最“神秘”的是mRNA临近5’端的核糖2’位甲氧基修饰（Am、Um、Cm、Gm）。笔者在自己的实验里也发现，这些修饰含量较多，但它们的功能目前尚不为人所知。最近有报道称，紧随5’cap的位置上还存在有m6Am修饰，它N6位的甲基还可以被FTO脱除，并影响了mRNA的稳定性。 mRNA修饰的甲基转移酶、 去甲基酶和结合蛋白 图2，m6A修饰的甲基转移酶复合物，去甲基酶（A）以及结合蛋白的作用模式（B） 和宇宙中的万事万物一样，研究RNA修饰也要考虑三个“哲学问题”：它是怎么来的，它是怎么没的，它来了之后干了什么……那这其实就是引入RNA修饰的甲基转移酶、脱除RNA修饰的去甲基酶、以及RNA修饰的功能各是怎样的。多说无益，笔者把这些“功能元件”都整理在一张表格中，方便小伙伴们查阅。 甲基转移酶（修饰酶） 去甲基酶（脱修饰酶） 结合蛋白 m6A METTL3、METTL14、WTAP、KIAA1429、RBM15 FTO、 ALKBH5 YTH家族、HNRNPA2B1 m1A 未知 ALKBH3 未知 m5C NSUN2 dTet ALYREF Pseudo-U Pus家族 无 未知 特别要说一下结合蛋白，还是以m6A为例，RNA修饰通过三种方式发挥作用。首先，当m6A处在茎环结构当中时，它会影响RNA螺旋的稳定性，从而影响RNA的结构，这影响了一些蛋白对RNA的结合，例如HNRNPC等。另一方面，有些RNA结合蛋白具有识别m6A修饰的位点，可以特异地结合含有m6A的RNA，比如一系列YTH家族的蛋白，包括何川老师实验室在内的众多研究者围绕这类蛋白的功能进行了研究，YTH家族蛋白影响了mRNA前体加工、蛋白翻译起始以及mRNA降解等诸多生物过程。此外，由于甲基的疏水性，m6A还会通过结合疏水残基影响一些蛋白的RNA结合特性。 最近，杨运桂老师实验室发现ALYREF是一个mRNA上m5C的结合蛋白，它通过NSUN2依赖的方式调控了mRNA的出核转运过程。m1A在N1位的甲基修饰阻碍了它和尿嘧啶互补配对，而假尿嘧啶相较于尿嘧啶多出一个氢键供体，可以通过氢键作用结合临近的磷酸基团。由此，m1A和假尿嘧啶都可以深刻地影响RNA结构，但是在mRNA上m1A和假尿嘧啶的功能还尚未见报道。 图3，m6A修饰对分化、发育过程的调节作用 基于RNA修饰在分子层面上具有的功能，它们还影响了诸如发育、疾病等生命过程。比如干细胞当中，多能性基因和谱系定向基因的mRNA生存周期，都受m6A修饰的控制，当m6A甲基转移酶缺失时，干性维持以及分化的过程就会紊乱。在斑马鱼中的实验显示，胚胎发育的起始阶段，承继自卵细胞的mRNA需要依赖m6A结合蛋白Ythdf2迅速清除，并由合子新产生的转录本取代，而Ythdf缺失会导致发育延缓的表型。m6A的去甲基酶，FTO和ALKBH5的过度表达，还会影响多种癌症的发生于发展。 其他类型RNA上的修饰 到目前为止，RNA修饰的研究还主要集中在mRNA上。然而非编码RNA，包括lncRNA、tRNA、rRNA等，都有着丰富的RNA修饰，它们的功能人们还知之甚少。究其原因，一方面是因为人们对非编码RNA本身的认识还较为有限（比如lncRNA），另一方面是长期以来人们把tRNA、rRNA上的修饰作为非动态的、非可逆的恒定存在，重视度不够。 图4，tRNA和rRNA上的诸多修饰 事实上，tRNA是修饰最为丰富的RNA。不少修饰还十分复杂，需要通过多种修饰酶的配合才能完成（比如鸟嘌呤G的修饰yW等）。tRNA的34位（wobble position）和37位的修饰最具代表性，它们位于tRNA的反密码子环上，对于密码子-反密码子结合的稳定性至关重要，影响了蛋白翻译的效率和准确性。而在反密码子环之外，tRNA修饰通常和结构密切相关，还会影响到tRNA的稳定性。 tRNA的修饰一度被认为是恒定存在的，直到最近人们才发现，tRNA上某些位点只是被部分修饰，在压力下，某些位点的修饰水平还会发生变化。特别是去年何川老师实验室的一项工作表明，tRNA上58位的m1A修饰是可逆的，AlkB家族的ALKBH1蛋白可以去除m1A58的甲基化修饰，这一过程还影响了tRNA的稳定性和蛋白翻译。在rRNA和snRNA上也有诸多RNA修饰，不过它们通常都深藏于折叠的内部，所以综述推断这些修饰应该不会像mRNA上的m6A或tRNA上的m1A58那样是可逆的。不过在环境因素的刺激下，未成熟的rRNA和snRNA某些位点也可能存在可变修饰。 总结 RNA修饰是转录后调控的关键所在，在RNA的序列和结构之外，通过各种结合蛋白，RNA修饰提供了另一种调谐基因表达的方式。在分子层面上，m6A充当了mRNA代谢的“加速器”，它使得mRNA被更快地加工、更快地翻译、最终更快地降解。具有m6A修饰的mRNA翻译增强了，但其翻译产物却被限制在更窄的时间窗内，这对于生物分化、发育过程是一个绝佳的调节模式——在某一阶段特异表达的基因，其mRNA寿命被m6A严格控制，并完成高效的蛋白翻译，当发育进入下一阶段时，这些mRNA又可以被迅速降解，避免对随后的发育进程产生干扰。此外，对于RNA修饰的诸多“功能元件”，比如m6A的甲基转移酶、去甲基酶以及结合蛋白，它们是如何实现底物选择性的，是否需要其它辅因子的协助，都值得进一步研究。 另一方面，非编码RNA上的修饰对于其合成、功能、以及稳定性都至关重要。许多tRNA上的修饰在压力下都是可变的，它们将如何在特定情况下影响基因的表达，同样是今后研究的重要方向。正如mRNA上m6A去甲基酶FTO的发现宣告了RNA修饰“黄金时代”的到来，那对于非编码RNA，ALKBH1对tRNA上m1A58的去甲基作用的发现，也为后续的研究提供了一个新的范式。 参考文献 [1] He, C. (2010). Grand challenge commentary: RNA epigenetics? Nat. Chem. Biol. 6, 863–865. [2] Jia, G., Fu, Y., Zhao, X., Dai, Q., Zheng, G., Yang, Y., Yi, C.,Lindahl, T., Pan, T., Yang, Y.G., and He, C. (2011). N6-methyladenosinein nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO. Nat. Chem. Biol. 7, 885–887. [3] Zheng, G., Dahl, J.A., Niu, Y., Fedorcsak, P., Huang, C.M., Li,C.J., Vagbø, C.B., Shi, Y., Wang, W.L., Song, S.H., et al. (2013). ALKBH5 is amammalian RNA demethylase that impacts RNA metabolism and mouse fertility. Mol. Cell 49, 18–29. [4] Wang, X., Lu, Z., Gomez, A., Hon, G.C., Yue, Y., Han, D., Fu, Y.,Parisien, M., Dai, Q., Jia, G., et al. (2014). N6-methyladenosine-dependentregulation of messenger RNA stability. Nature505, 117–120. [5] Liu, F., Clark, W., Luo, G., Wang, X., Fu, Y., Wei, J., Wang, X.,Hao, Z., Dai, Q., Zheng, G., et al. (2016). ALKBH1-mediated tRNA demethylationregulates translation. Cell 167, 816–828. [6] Yang, X., Yang, Y., Sun, B.-F., Chen, Y.-S., Xu, J.-W., Lai,W.-Y., Li, A., Wang, X., Bhattarai, D.P., Xiao, W., et al. (2017).5-methylcytosine promotes mRNA export — NSUN2 as the methyltransferase andALYREF as an m5C reader. CellRes. 27, 606–625.   |
|
|
