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大家好，这里是专注表观组学十余年，领跑多组学科研服务的易基因。 表观遗传调控，包括DNA甲基化、RNA修饰和染色质重塑等，在神经退行性疾病中起重要作用。DNA甲基转移酶1（DNMT1）是一种已知的DNA甲基转移酶，主要负责维持DNA甲基化。然而DNMT1在非分裂细胞中的功能尚不清楚。此外，DNMT1的RFTS（replication focus targeting sequence ）结构域突变（如A560V）与多种神经退行性疾病相关，但其分子机制尚未完全阐明。 近日，美国加州大学洛杉矶分校终身教授/上海科技大学免疫化学研究所特聘教授范国平课题组揭示了 DNMT1在调控DNA和RNA甲基化中的双重作用，特别是其通过RNA修饰调控线粒体功能的机制。研究发现，DNMT1能够与mRNA结合并促进其稳定性，并通过招募NSUN2蛋白来调节RNA的5-甲基胞嘧啶（m5C）甲基化。此外，研究还发现DNMT1的RFTS结构域突变（如A560V）会导致代谢基因的RNA甲基化和稳定性异常，进而引发线粒体功能障碍和神经退行性疾病。这些发现为理解DNMT1在神经系统疾病中的作用提供了新的视角，并为开发靶向RNA甲基化的治疗策略提供了理论基础。相关研究成果以《DNA methyltransferase 1 modulates mitochondrial function through bridging m5C RNA methylation》为题发表于《Molecular Cell》期刊。易基因科技为本研究提供m5C甲基化测序RNA-BS-seq技术服务。
文章标题：DNA methyltransferase 1 modulates mitochondrial function through bridging m5C RNA methylation 发表时间：2025-05-05 发表期刊：Molecular Cell 影响因子：IF14.5/Q1 技术平台： RNA-BS-seq、RRBS、RNA-seq等（易基因金牌技术）
DNMT1是一种维持DNA甲基化的DNA甲基转移酶。其复制焦点靶向序列（RFTS）结构域中的点突变会导致晚发性神经退行性疾病，如常染色体显性小脑性共济失调-耳聋和嗜睡症（ADCA-DN）疾病。本研究首先验证了DNMT1具有结合mRNA转录本的功能，并通过招募NOP2/Sun RNA甲基转移酶2（NSUN2）来促进RNA m5C甲基化。同时，RNA m5C甲基化增强那些调节线粒体功能基因的RNA稳定性。当小鼠的DNMT1 RFTS结构域发生突变时，会引发异常的DNMT1-RNA相互作用，并显著提高部分代谢基因的m5C RNA甲基化和RNA稳定性。因此，代谢RNA转录本水平增加导致了累积性的氧化应激、线粒体功能障碍和神经症状。总体而言，本研究结果揭示了DNMT1在调节DNA和RNA甲基化中的双重作用，并进一步调节了线粒体功能，为DNMT1突变诱导的神经退行性疾病的发病机制提供了新见解。
图形摘要 研究方法
细胞培养：使用HeLa细胞、HEK293T细胞以及小鼠胚胎干细胞（ESCs），并在特定条件下培养。 基因编辑：通过CRISPR-Cas9技术构建了携带Dnmt1A560V突变的小鼠模型和细胞系。 2、动物模型和行为学测试 小鼠模型：构建Dnmt1A560V突变小鼠模型，用于研究DNMT1突变对神经系统的长期影响。 行为学测试：包括后肢抓握测试和旋转杆测试，评估小鼠的运动功能障碍。 3. RNA结合蛋白分析 增强型交联免疫沉淀测序（eCLIP-seq）：鉴定DNMT1结合的mRNA转录本（DNMT1-bound mRNA transcripts，DBTs），发现DNMT1能够结合大量mRNA，并影响其稳定性。 4. RNA甲基化分析 RNA-BS-seq：分析RNA m5C甲基化水平，发现DNMT1能够通过招募NSUN2蛋白来调节RNA的m5C甲基化。 质谱分析（UHPLC-MRM-MS/MS）：定量分析RNA甲基化水平，验证DNMT1对m5C甲基化的调控作用。 5. 蛋白质互作分析 Co-IP：检测DNMT1与NSUN2互作，并通过质谱分析鉴定DNMT1的互作蛋白。 等温滴定量热法（ITC）：检测DNMT1与NSUN2之间的结合亲和力。 6. 基因表达和表观遗传分析 RNA-seq：分析基因表达变化，发现Dnmt1A560V突变导致代谢基因表达失调。 DNA甲基化测序（EM-seq和RRBS）：分析DNA甲基化水平，发现突变对DNA甲基化影响较小，但对RNA甲基化影响显著。 7. 单细胞分析 scRNA-seq和snRNA-seq：分析神经组织中不同细胞类型的基因表达变化，揭示了广泛的氧化应激反应。 8. 代谢和线粒体功能分析 细胞能量代谢分析：评估细胞的氧气消耗率（OCR）和胞外酸化率（ECAR）。 线粒体DNA含量测定：通过qPCR分析线粒体DNA含量。 氧化应激和ATP含量分析：检测细胞中的氧化应激和ATP水平。 结果图形（1）DNMT1直接与mRNA结合以增强其稳定性DNMT1能够与mRNA结合，并通过增强RNA稳定性以调控基因表达。通过eCLIP-seq技术，研究者在HeLa细胞和HEK293T细胞中鉴定出大量DBTs，这些转录本主要分布在5’UTR区域。DNMT1的结合显著增强了这些mRNA的稳定性，且这种稳定性与RNA的细胞核质比和翻译效率相关。
图1：DNMT1与参与转录后调控的部分mRNA结合 （2）DNMT1通过招募NSUN2调控DBTs的m5C RNA甲基化DNMT1能够通过招募NSUN2蛋白来调节RNA m5C甲基化。通过免疫共沉淀实验和质谱分析，研究者发现DNMT1与NSUN2之间存在直接相互作用，且这种相互作用部分依赖于RNA。RNA-BS-seq分析显示，DNMT1敲低（KD）的细胞中m5C水平显著降低，且这些位点与DBTs高度重叠。
图2：DNMT1对mRNA上m5C RNA甲基化的调控
（3）Dnmt1A560V突变小鼠出现代谢和神经系统疾病Dnmt1A560V突变小鼠表现出多种代谢和神经症状，包括体重下降、运动功能障碍和氧化应激增加。这些症状与线粒体功能障碍相关，且在突变小鼠的多个组织中观察到代谢基因的RNA甲基化和稳定性显著增加。
图3：Dnmt1A560V小鼠表现出代谢和神经紊乱
(E-F) 雄性小鼠（每种基因型n=20）（E）和磁性小鼠（每种基因型n=20）（F）的生长曲线。 (G) 本研究中三种基因型的白内障发病率。 (H-I) 三种基因型小鼠的后肢抓握评分，雄性（H）和雌性（I）。 (J-K) 6个月大雄性（J）和雌性（K）小鼠的旋转杆性能测试。 （4）Dnmt1A560V突变显著增加代谢mRNA转录本水平在Dnmt1A560V突变小鼠细胞中，代谢基因的mRNA转录本水平显著增加。这些转录本的增加与RNA m5C甲基化水平升高相关，表明DNMT1突变增强了RNA甲基化和稳定性。
图4：Dnmt1点突变导致部分代谢基因的转录去抑制
（5）稳定化的DNMT1结合mRNA参与线粒体调节DNMT1结合的mRNA稳定性增加与线粒体功能调节密切相关。研究发现，这些mRNA的稳定性增加导致代谢基因表达水平升高，进而影响线粒体功能和氧化应激反应。
图5：与线粒体功能相关的DBTs的稳定性
(E–H) 不同组织和细胞中一致上调的DBTs热图。 (I-J) 纯合子Dnmt1A560V突变在皮层（I）和小脑（J）中诱导的指示基因特征变化基因集富集分析（GSEA）。 （6）失调的DNMT1结合mRNA导致线粒体功能障碍Dnmt1A560V突变导致DNMT1结合的mRNA失调，进而引发线粒体功能障碍。研究发现，突变小鼠的线粒体呼吸功能下降，ATP合成减少，氧化应激增加，这些变化与代谢基因的RNA甲基化和稳定性异常相关。
图6：失调的DBTs导致线粒体功能障碍
(C-F) 条形图显示三种基因型成纤维细胞的线粒体呼吸（C）、ATP相关呼吸（D）、最大呼吸（E）和质子泄漏（F）。 (G-H) 三种基因型成纤维细胞的相对H2O2含量（G）和ATP含量（H）。
(J) 条形图显示三种基因型大脑皮层的线粒体复合体驱动的呼吸。 (K) 条形图显示大脑皮层的线粒体DNA含量。 (L) 12月龄小鼠禁食4小时后的血糖水平。 （7）单细胞分析揭示神经组织中广泛的氧化应激反应通过单细胞RNA测序分析，研究发现Dnmt1A560V突变小鼠的神经组织中存在广泛的氧化应激反应。这些反应涉及多个细胞类型，包括少突胶质细胞和抑制性神经元，表明DNMT1突变对神经系统的广泛影响。
图7：单细胞分析揭示神经组织中广泛的氧化应激反应
易小结本研究揭示了DNMT1在RNA修饰和线粒体功能调节中的新功能。DNMT1通过招募NSUN2调节RNA m5C甲基化，进而影响线粒体功能和神经退行性疾病发生。这些发现为开发靶向RNA甲基化的治疗策略提供了新的靶点，并为理解DNMT1在神经系统疾病中的作用提供了新视角。 RNA-BS-seq分析在本研究中的重要作用 RNA-BS-seq技术在本研究中发挥了关键作用。它不仅用于分析DNMT1和NSUN2在RNA甲基化中的作用，还揭示了Dnmt1A560V突变对RNA甲基化水平的影响。通过RNA-BS-seq，研究者能够单碱基分辨率检测RNA m5C甲基化水平，并鉴定出与DNMT1结合的mRNA转录本。这些数据为理解DNMT1在RNA修饰中的作用提供了重要依据。 关于易基因RNA m5C甲基化测序(RNA-BS)技术 m5C是RNA百余种修饰中研究较多的一种。m5C存在于tRNA上时，可以对翻译进行调节；存在于rRNA上时，可以对核糖体的生物合成进行质控；存在于mRNA上时，则可以影响mRNA的结构、稳定性及翻译过程。 易基因提供适用于不同科研需求的m5C甲基化测序技术：
易基因科技建立的升级版m5C RNA甲基化测序服务，去除人rRNA后，剩余RNA经重亚硫酸盐处理后，结合高通量NGS策略，可在全转录组范围内单碱基分辨率地检测基因m5C甲基化修饰分布。
技术优势：
研究方向：
易基因提供全面的表观基因组学（DNA甲基化、DNA羟甲基化、cfDNA）和表观转录组学（m6A、m5C、m1A、m7G、ac4C、RNA与蛋白互作）、DNA与蛋白互作及染色质开放性技术方案（ChIP-seq、ATAC-seq），详询易基因：0755-28317900。
参考文献： Wang et al., DNA methyltransferase 1 modulates mitochondrial function through bridging m5C RNA methylation,Molecular Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.04.019 相关阅读： 1、2024项目文章精选：DNA甲基化、RNA甲基化（m6A/m5C）、ChIP-seq、单细胞转录组、宏基因组｜年终盘点 2、项目文章 | Adv Sci：NSUN2介导m5C修饰代谢重编程促进肿瘤进展 揭示治疗新选择 3、项目文章 | NAR：RCMS编辑系统在特定细胞RNA位点的靶向m5C甲基化和去甲基化研究 4、项目文章｜JECCR/IF11.4：RNA-BS揭示NONO蛋白通过调控PTEN mRNA的m5C修饰和可变剪切促进胃癌进展 |
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