|
大家好，这是专注表观组学十余年，领跑多组学科研服务的易基因。 DNA甲基化修饰改变引起的基因表达改变在肿瘤的发生发展中起重要作用。基因表达紊乱可导致许多疾病包括癌症。例如，癌细胞基因组常常有癌基因的低甲基化和抑癌基因的高甲基化改变，但DNA甲基化改变的机制目前并不完全清楚。 除了DNA甲基化，基因转录产物RNA也可以被甲基化修饰。表观遗传修饰（epigenetic modification)是影响基因表达的重要因素之一，如DNA甲基化修饰、组蛋白乙酰化修饰等。目前已知最普遍的RNA甲基化修饰是甲基腺嘌呤N6甲基化（m6A），mRNA的m6A修饰会影响mRNA本身的稳定性及其翻译成蛋白质的效率，最近的研究也表明RNA-m6A修饰还可逆向影响染色质重塑和组蛋白修饰等。 近日，Nature Genetics在线发表了中山大学肿瘤防治中心林东昕/郑健实验室联合美国希望城国家医疗中心贝克曼研究所陈建军教授的研究成果：RNA-m6A共转录调控DNA甲基化进而改变染色质可及性及基因表达。 该研究发现RNA在转录过程中的m6A修饰可直接使邻近的DNA去甲基化，从而使染色质可及性及所在基因表达增加。此项研究成果首次揭示RNA甲基化可调控DNA甲基化，对进一步理解复杂的基因表达调控机制具有重大意义。 1. RNA m6A 水平 与 DNA 5mC 水平呈负相关。研究者首先系统地分析了公共数据集。通过比较基因组位置，发现大量m6A连锁基因座与CpG重叠，但RNA m6A和DNA 5mC水平呈负相关。此外，随着CpG接近m6A峰，5mC水平显着降低。因为m6A可以调节染色质状态，研究者假设 RNA m6A还可以调节DNA 5mC，从而影响染色质的可及性。为了检验这一假设，研究者使用酶联免疫吸附试验(ELISA)和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)在有或没有沉默METTL3（RNA m6A的核心甲基转移酶）的细胞中测量DNA 5mC水平。METTL3的消耗导致全球DNA 5mC水平和5mC/C比率显着增加（图1a，b）。一致地，发现METTL14（另一种核心m6A甲基转移酶）的消耗也导致DNA 5mC水平显着增加，而沉默m6A去甲基化酶FTO会导致相反的结果。在该实验中，DNA甲基转移酶（DNMT1、DNMT3A和DNMT3B）和去甲基化酶（TET1、TET2和TET3）的水平没有显著变化。然后研究者进行了平行RNA m6A测序和使用 METTL3对细胞进行全基因组亚硫酸氢盐测序 (WGBS)有或没有恢复METTL3或其非活性突变体表达的敲除。与上述结果一致（图 1a，b），METTL3 敲除导致全局RNA m6A水平显著降低，全局DNA 5mC 水平升高（图 1c，d 和扩展数据图 2h，i）和更多的高甲基化差异甲基化区域（DMR）（图 1d）。值得注意的是，发现大多数高甲基化 DMR 和 m6A 峰具有很大的分布相似性，它们优先位于RNA的编码序列(CDS)和3'非翻译区 (UTR)。2. TET1 活性与全基因组 RNA m6A水平相关因为DNA 5mC可以被DNA去甲基化酶TET1/2/320去甲基化，研究者研究了这些酶是否在RNA m6A和DNA 5mC相互作用的过程中发挥作用。发现只有TET1与METTL3重叠良好并且接近m6A峰，表明可能是TET1参与了RNA m6A和DNA 5mC的相互作用。还发现在敲除METTL3的食管鳞状细胞癌(ESCC)细胞中，TET1染色质结合水平显著降低。DNA 5mC水平在METTL3敲除后显著增加，但在TET1过表达时降低，并且异位TET1表达没有改变细胞中增加的DNA 5mC水平。因为RNA m6A是共转录形成的，而TET1在转录过程中与RNA聚合酶II (Pol II) 相关。通过使用CUT&Tag检查Pol II定位，研究者发现82.9%的TET1结合位点被Pol II靶向（图 3a），TET1定位在Pol II的中心（图3b）。ChIP-qPCR测定证实METTL3耗尽显著降低了TET1在Pol II结合区域上的富集。这些结果表明，TET1需要METTL3形成的RNA m6A以共转录方式结合靶染色质。与METTL3 耗竭一样，FXR1耗竭也显著降低了细胞5hmC、5fC 和5caC的水平，并且通过5hmC测序还检测到了5hmC的下降。最后，研究者在体外培养重组FXR1和 TET1蛋白，发现它们可以相互结合，与没有m6A修饰的相同寡核苷酸相比，通过添加m6A 修饰的寡核苷酸结合显著增强了。为了阐明影响基因表达的RNA和DNA之间的染色质调控相互作用，研究者首先检查了METTL3、TET1或FXR1敲除对转录组调控的影响。RNA测序结果显示，许多差异表达的RNA（709个上调和948个下调）在METTL3、TET1或FXR1缺失的细胞中重叠（图5a）。其次，研究者对转座酶可及的染色质进行了测序分析(ATAC-seq)，染色质可及性变化对应于基因表达改变。也就是说，可及性的增加与基因转录的增加显著相关，而可及性的丧失对应于基因转录的减少。这样的变化包括可访问性的获得或损失，以及它们中的大多数位于内含子或基因间区域。研究者还使用dPspCas13b系统将 FXR1引导至所选基因，发现癌基因的转录水平显著上调，而肿瘤抑制基因显著下调。这些结果进一步支持m6A-5mC相互作用通过染色质重塑在基因转录调控中发挥作用。最后，研究者对八对ESCC和正常组织样本进行了m6A测序和WGBS。ESCC中的m6A峰在RNA m6A共有基序RRACH中显着富集，主要位于CDS和3'UTR中。DNA甲基化结果与TCGA-ESCC结果高度相关。与邻近的正常组织相比，ESCC的DNA甲基化水平显着降低，但m6A水平更高（图6a，b和扩展数据图 9e，f），表明RNA m6A和DNA mC修饰可能是相互排斥的，与上述一致体外发现。同期Nature Genetics邀请了复旦大学生物医学研究院沈宏杰研究员为此项研究工作做了评述：认为此项研究揭示了RNA-m6A与DNA-5mC互作在调控染色质可及性和基因转录的重要作用，该机制涉及食管鳞癌的发生发展，METTL3抑制剂也可能对食管鳞癌有效，并且为相关表观调控领域的深入探究提供了新的方向。染色质由真核DNA被组蛋白包裹以形成。而DNA和组蛋白受到各种共价修饰在染色质状态和结构的调节以及基因转录中发挥着重要作用。近期，一些研究表明RNA也与染色质有关，这表明RNA及其修饰也可能在染色质中发挥调节作用。研究确定了共转录RNA m6A水平与附近DNA甲基化水平之间的反相关。METTL3特异性地导致近端位点DNA甲基化的增加。METTL3耗尽后RNA和DNA甲基化的变化可能在染色质重塑和转录的调节中发挥重要作用。这项研究还提出：这种 m6A-DNA 5-甲基胞嘧啶 (5mC) 调节轴在肿瘤发生中的作用，食管鳞状细胞癌(ESCC)的DNA甲基化水平显著低于邻近正常组织，但RNA m6A水平更高。在之前，DNA 修饰和组蛋白修饰之间的串扰已经研究了很长时间。最近的研究表明，RNA修饰也可以调节组蛋白修饰，反之亦然。然而，DNA修饰和RNA修饰之间是否存在类似的交叉调控？仍然是一个悬而未决的问题。这项研究显示了RNA m6A甲基化和附近 DNA 5mC甲基化之间的反相关。重要的是，在这项研究中，他们还表明m6A-5mC调节轴可能在ESCC中起关键作用，这可能会为这种疾病带来新的治疗途径。METTL3抑制剂是治疗髓性白血病的一种策略。该研究发现，ESCC在肿瘤中具有较高的RNA m6A水平但DNA甲基化水平较低，而在癌旁的正常组织中则没有，这表明METTL3抑制剂也可能对ESCC有效。1）. RNA m6A是否可以通过其他途径调节DNA去甲基化将是非常有意义的。如何整合这些不同方面的调控以及这些调控是否显示出对特定染色质区域和/或特定转录单位的偏好仍有待进一步研究。参考文献： https://www./articles/s41588-022-01173-1
|
