表观转录组：新兴领域的机会和挑战

DNA修饰是一个相当热门的研究领域，相比之下，RNA修饰是一片未曾开垦的荒地。事实上，几年前，这个领域甚至是不存在的。

2012年，RNA表观遗传学的先驱人物、康奈尔大学的助理教授Christopher Mason与Samie Jaffrey发表了第一篇绘制表观转录组的论文1。他们发现腺苷N6位置的甲基化（m6A）是细胞mRNA中普遍存在的修饰。“我们大约花了20%的篇幅来验证抗体，以确保我们的结果是真实可重复的，”Mason说。

如今，五年过去了，多家公司推出了多种抗体、试剂和技术来研究表观转录组，比如Epigentek、Qiagen、Synaptic Systems和Abcam。Mason现正在领导NASA的双胞胎太空旅行前后的DNA和RNA甲基化研究，它主要研究环境因素如何影响RNA和DNA的化学修饰。

同时，这个年轻的领域也开始展现在人类疾病中的意义。“去年发表的研究已经证明m6A在区分高风险和低风险白血病中的作用，而我们也看到了它对于脑癌的意义，”Mason解释说。

“RNA修饰在病毒中也同样存在。到目前为止，我们研究的所有RNA都带有某种RNA修饰，一些m6A或碱基动态是我们没有见过的。”去年，Mason与杜克大学的合作者绘制了各种病毒中的m6A，包括丙肝病毒、寨卡病毒、登革热病毒、西尼罗河病毒和黄热病病毒。

“现在，我们已经知道了大约120个RNA的表观遗传标记，但也许有300个，甚至有1000个。RNA的整体可塑性仍然有待探索，”Mason补充说。“接下来的问题是，它是否会成为一些治疗行动的目标。”

如何研究m6A？

Epigentek公司的运营副总裁William Lee认为，推动这个领域前进的主要挑战是建立可靠且有用的方法，比如RNA修饰测序，从而以单碱基分辨率鉴定包括m6A在内的RNA修饰。MeRIP-seq（甲基化RNA免疫沉淀测序）的出现，大大推动了这个领域的发展。不过，它的分辨率大约为100 nt，而不是单碱基。

最近，技术又有了新进展。研究人员发现，含有m6A的RNA与相应抗体结合以后，逆转录得到的cDNA会出现突变或者截断，这样就可以指示m6A的存在。于是，他们用紫外光诱导m6A抗体与RNA交联，然后通过逆转录获得了代表m6A的特征突变。相关研究成果由Jaffrey和Mason于2015年发表在《Nature Methods》上2。

当然，谈到m6A，还有一位不得不提的人物，那就是芝加哥大学的何川（Chuan He）教授。2010年，他提出RNA甲基化和DNA甲基化一样是可逆的。2011年，他发现并发表了第一个RNA脱甲基酶，这在很大程度上促进了表观转录组的研究工作。他认为：“我们需要一种RNA甲基化测序的定量方法，相当于DNA甲基化的亚硫酸氢盐测序。你想知道修饰发生在什么位置，是25%还是50%？这是我们的第一个挑战。”

面临各种挑战

对于目前的分析方法，限制在于需要大量的起始材料。何教授认为，这基本上排除了研究特定神经元的可能性。“m6A甲基化在神经系统的早期发育中起到了至关重要的作用，而你需要区分不同类型的神经元。目前很难利用有限的材料开展定量测序，如活检样本。”

QIAGEN的全球产品经理Samuel Rulli也同意，RNA的复杂性使其处理起来比DNA更困难。“你需要一种方法来分离RNA，并随着修饰而改变，然后再进行下游处理。从高质量的样品开始，也许能帮助你获得可重现的结果。在这种早期的研究阶段，保持分析的一致性至关重要。”

何教授认为，另一个挑战在于读取同一条RNA上的不同修饰。“按照目前的方法，在你处理一个细胞时，你会获得平均值。问题是，这些修饰是协同作用，还是各不相干？最好有一种方法能够检查每条mRNA，读取所有的修饰，而不仅仅是m6A，看看它们是如何共存的。如果我们能够解决这个问题，那么这将开辟巨大的研究可能性。”

Mason表示，直接的RNA纳米孔测序也许能解决一些问题。“过去，我们通常是利用抗体或化学分析来推断RNA的修饰状态。直到去年，我们才开始进行直接的RNA测序。利用纳米孔测序仪，我们能够直接测序RNA，而不需要逆转录。我们第一次直接测定RNA修饰：整个分子存在哪些修饰，又存在哪些异构体。”他的研究小组正准备发表几篇论文。

“在过去的一年里，人们开始认识到表观转录组从根本上影响了基因表达，”他指出。“不过，不同的细胞类型和发育阶段的表观转录组如何，特异性如何实现，调控又是如何做到的，探索才刚刚开始。对我而言，这个领域才刚刚起步。”

参考文献

1 Meyer KD, Saletore Y, Zumbo P et al. Comprehensive analysis of mRNA methylation reveals enrichment in 3' UTRs and near stop codons. Cell. 2012 Jun 22;149(7):1635-46.

2 Linder B, Grozhik AV, Olarerin-George AO et al. Single-nucleotide-resolution mapping of m6A and m6Am throughout the transcriptome. Nat Methods. 2015 Aug;12(8):767-72.