RNA表观遗传学的淘金热（下）——基因调控的新途径 | m6A八卦故事

上期的m6A八卦故事讲到Dominissini博士于2017年再次回到以色列建立自己的独立实验室（RNA表观遗传学的淘金热（上）——基因调控的新途径 | m6A八卦故事）

在过去的几年中，研究人员已经陆续发现了一些调节m6A甲基化修饰背后的机制。如发生m6A修饰需要甲基化转移酶的参与，这类酶也被称作Wrtiers。另一类酶则可以对已发生m6A修饰的RNA进行去甲基化修饰，也叫去甲基化酶或Erasers，意为像橡皮擦一样对m6A修饰进行擦除。最后一类酶也叫m6A阅读蛋白（Readers），是RNA结合蛋白大类中的一个分支，主要功能是识别m6A修饰的RNA并参与一系列功能。起初人们认为阅读蛋白仅仅调控RNA可变剪切，随着研究的深入人们发现mRNA的翻译效率、出核转运以及mRNA的降解都有各式各样的阅读蛋白参与调控。

例如某一种m6A阅读蛋白如YTHDF2在识别m6A修饰的RNA后能够使其降解更快，而另一种阅读蛋白如YTHDF1在识别m6A修饰的RNA后能够通过招募核糖体来促进翻译并产生更多的蛋白。

m6A究竟是促进蛋白质合成还是破坏mRNA的稳定性取决于两个关键因素：m6A位于mRNA上的位置以及与哪一种阅读蛋白相结合。但是想要继续深入研究其机制，m6A测序这项工具的出现还仅仅只是开始，Rechavi教授指出后面的工作会充满更多的挑战。

不过目前研究人员已经对m6A在细胞分化中如何行使作用有了一定程度的了解。当缺少m6A修饰时细胞将停留在类似干细胞（Stem Cell）或祖细胞（Progenito）那种状态。同样m6A修饰的缺失也容易产生致死作用。何川教授在对小鼠的胚胎中某一个m6A甲基化转移酶进行敲除后，许多胚胎都在子宫内出现死亡。

对于m6A如何发挥作用，何川教授有自己的假设。他解释道，当细胞在分化过程中细胞内的mRNA也会发生变化。这种mRNA水平上的精确变化被何川教授称作为transcriptome switch，且必须只能发生在特定时间段。他认为这些甲基化标记可能是细胞同步成千上万个转录本活动的一种方式。

对此来自MIT的Wendy Gilbert有不同的观点。这位RNA geek虽然很钦佩何川教授的解释，但她认为m6A参与调控的唯一途径。一个很容易被想到的例子就是能够对mRNA进行抑制翻译的microRNA。

腺嘌呤中的无限奥秘

尽管科学家早就知道，RNA上的四种碱基各自带有不同的修饰。截止目前为止，RNA上的碱基修饰已达160多种。但哺乳动物DNA似乎仅有几种碱基修饰，且全部位于胞嘧啶上。哺乳动物中最常见的修饰，即5-甲基胞嘧啶或5mC如此重要，以至于经常被称为“第五碱基”，仅次于A，C，T和G。但是科学家们仍然想知道基因组中是否可能存在其他修饰。细菌中存在一类与m6A很相似的的DNA修饰——N6-甲基腺嘌呤或6mA。“细菌能够使用甲基化来区分这些DNA究竟是自身的还是外源的。”波士顿儿童医院的生物化学家Eric Greer说道。但研究人员在努力地证实6mA存在于更复杂的生物中，而不仅仅是藻类或细菌。

2013年，付晔发现了一篇有趣的论文，这篇年代久远来自1970年的论文中发现藻类DNA含有甲基化的腺嘌呤。“没有人知道这个功能，也没有人跟进”。付晔说道。

 付晔和另一位博士后骆观正（现已回到中山大学建立自己的实验室）决定进一步进行调查，并绘制这种藻类生物DNA中6mA图谱。他们在超过14,000个藻类基因中发现了6mA修饰，且大量富集在转录起始位点。付晔推测这些修饰可能是促进基因激活的关键标记。

2000公里外的波士顿，哈佛大学医学院施扬教授的博士后Greer以及他的同事们也在线虫中发现了6mA修饰。Greer当时一直在研究一种名为秀丽隐杆菌线虫的模式生物，通过突变体的方式研究其表观遗传世代传递。突变体在每个连续世代中逐渐逐渐丧失生育能力。他想了解这种不育现象如何从上一代传给下一代。秀丽隐杆线虫长期以来一直被认为缺乏甲基化修饰。最后Greer和他的同事确实没有找到5mC，但他们却发现了6mA。更让人意外的是，在生育能力较弱的一代，6mA的水平似乎更高了。“这说明6mA很有可能就是一种传递表观遗传信息的载体。”Greer说道。这个实验结果出乎了所有人的意料，在这之前，人们并不是没有在多细胞生物中寻找过6mA，不过由于6mA的表达水平实在太低了，没有人能够真正检测到它的存在。

当时施扬教授得知何川课题组已经在藻类中发现了6mA修饰并向其寻求帮助。当何川听到施扬的发现时，十分激动。几个月后，中科院动物所陈大华课题组也在果蝇中发现了6mA修饰。何川激动地快要晕倒了。2015年4月，这三篇论文同时在Cell上发表。

耶鲁大学的Andrew Xiao在看了这三篇论文后突然意识到他们需要加快步伐了。实际上Xiao课题组已经在哺乳动物的细胞中鉴定到了6mA修饰，但是这些结果却没有及时发表。“我们认为应该没有人会对这个领域感兴趣，后来这三篇Cell上的文章发表后我们意识到我们得要抓紧时间了！”。

在接下来的时间里，Xiao和剑桥大学Gurdon研究所的科学家们合作，在人和小鼠等脊椎容物中陆续发现了低丰度的6mA修饰，但在X染色体上6mA信号最强。这些DNA上的修饰似乎与基因沉默表达有关。此外他们还鉴定了一种疑似是6mA去甲基化酶的蛋白。

Xiao仍未阐明6mA的功能。但是他认为这种修饰似乎对发育的各个阶段都起到关键作用。6mA修饰就像一个分子开关，从几乎没有任何征兆仅仅是出现一瞬间，再到后来出现了激增，最后又迅速消失了就像从来没有过一样。

Jaffrey认为Xiao的论文绝对是表观修饰领域的一个重磅炸弹，并明确指出6mA是一个十分重要的功能性元件。何川和施扬均表示，他们也陆续在哺乳动物细胞中发现了6mA修饰，但是这些结果尚未完全公布。

但是施扬表示，6mA的重要性尚不清楚。他指出，即使是最新的高通量测序技术也无法精确到单碱基水平，而且6mA的模式可能在不同组织之间存在巨大差异。

目前仍有很多问题需要解决。纽约大学医学院的遗传学家Mamta Tahiliani称6mA的研究“令人兴奋”，但也指出当前论文尚未证实该修饰可以从上一代稳定传递给传给下一代。

挖掘更多碱基修饰

当一些研究人员正在深入研究m6A和6mA的功能的同时，其他研究人员已经踏上了寻找新碱基修饰的道路上。果然在2016年，何川课题组和Rechavi课题组合作，在RNA的腺嘌呤上发现了另一个新型的甲基化修饰——N1-甲基腺苷（m1A）。尽管其机制与m6A的机制有所不同，但该修饰似乎也促进了mRNA的翻译。何川认为，m1A在发育过程中发挥作用，帮助转录本同时产生变化。

 随后Jaffrey报道了另一种在mRNA帽附近发生的修饰——m6Am。因为m6Am修饰带有的帽子结构很难被清楚，所以带有这种碱基修饰的RNA会更稳定。“能够调控基因表达的mRNA修饰的数量及其复杂程度远比我们想象的要多好几个数量级。”Gilbert说道。

除了这些新发现之外，一些争议也随之而来。Jaffrey一篇文章证实FTO催化底物实际上是m6Am而不是m6A。何川课题组证实被Xiao发现的去甲基化酶实际上在对m1A进行去甲基化修饰的作用上更明显。但这对一个正在经历淘金热的新兴学科来说，这些争议太正常不过了。

“现在我们的故事才刚刚开始” Rechavi客观地评价道。随着技术的进步，科学家将能够更清晰地看到这些修饰理解这些修饰。康奈尔医学院的Mason激动不已——“能够在这个领域做研究真的是太令人兴奋了！”。

参考文献：

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