专家点评Nature丨陈建军/杨建华/何川/黄刚合作揭示RNA m6A由组蛋白修饰决定

责编丨黄蔚、迦溆

点评丨朱冰（中科院生物物理研究所）

近年来，RNA表观遗传学的研究发现RNA甲基化修饰，特别是m6A甲基化修饰，在哺乳动物的转录组中广泛存在，并且在多种生理和病理过程中发挥着重要的生物学功能，引领了RNA以及表观遗传学领域的又一个热潮。高通量测序揭示在人和小鼠的转录组中有1/3-1/2的mRNA转录本具有m6A修饰【1，2】。理论上每一个m6A的保守元件RRACH（R代表G或A，H代表A,C或U）都可以被m6A的甲基转移酶复合物（MTC，m6A methyltransferase complex，由METTL3和METTL14两个核心组分形成的二聚体， 加上WTAP作为该二聚体的co-factor）识别，并对其中的A进行甲基化修饰，但是在体内并不是每一处RRACH都具有甲基化修饰。

究竟是什么样的机制选择决定了体内特异位点的m6A甲基化修饰？为什么m6A甲基化修饰更倾向于发生在mRNA的CDS和3’UTR，特别是聚集在终止密码子附近？

另外，虽然有些证据提示m6A甲基化修饰很可能是共转录(co-transcriptionally)发生的，但相关分子机制很不清楚。这些问题在RNA表观遗传学领域一直备受关注并亟待解决。

2019年3月14日，美国希望之城国家医疗中心（City of Hope National Medical Center）贝克曼研究所 (Beckman Research Institute) 的陈建军教授研究团队联合中山大学杨建华教授团队、芝加哥大学何川教授团队以及辛辛那提儿童医院黄刚教授团队在Nature杂志发表了题为Histone H3 trimethylation at lysine 36 guides m6A RNA modification co-transcriptionally的论文，报道了组蛋白H3上的36位赖氨酸三甲基化修饰（H3K36me3）可以被METTL14识别，从而在转录过程中动态并特异地介导了m6A甲基化修饰的发生。

该研究通过分析全基因组组蛋白修饰图谱和转录组m6A图谱，发现m6A甲基化修饰大量富集在H3K36me3信号峰附近，而且这两种修饰都同样富集于基因的CDS和3’UTR区域，暗示它们之间可能存在某种联系。

当通过敲低组蛋白甲基转移酶SETD2或过表达组蛋白去甲基化酶KDM4A以降低胞内H3K36me3修饰时，m6A RNA甲基化修饰也发生显著下降，表明组蛋白H3K36me3修饰可调控m6A RNA修饰。

研究者采用表观遗传编辑的技术(将组蛋白甲基转移酶或去甲基化酶与核酸酶失活的“dead”Cas9 （dCas9）融合，在sgRNA引导下对特异染色质位点进行修饰)进一步证实了这种因果关系。利用dCas9-KDM4A融合蛋白去除MYC基因 3’端的H3K36me3修饰，能够显著降低该区域的m6A修饰；相反，利用dCas-SETD2融合蛋白在原本没有H3K36me3修饰的GNG4基因的5’端引入H3K36me3修饰，能够显著提高该区域的m6A修饰水平。

研究者进一步通过大量的ChIP-seq和m6A-seq发现，当敲低SETD2使基因组中的H3K36me3降低时，转录组中的m6A修饰也发生全局性去甲基化。这些m6A去甲基化位点主要富集在CDS和3’UTR区域，并且与METTL3和METTL14介导的m6A甲基化修饰位点高度重叠。同时，通过对METTL14的ChIP–seq分析，研究者发现METTL14主要结合在gene body区，并与H3K36me3有很强的相关性，这说明确实是METL14将 H3K36m3与m6A联系起来。

进一步的机制研究显示， METTL14能够充当H3K36me3阅读器直接识别H3K36me3修饰。结合到H3K36me3上的METTL14，同时与RNA聚合酶II（POL II）结合，从而使MTC复合物在转录延伸过程中介导新生RNA链上的m6A甲基化。

那么，组蛋白H3K36me3修饰调控RNA m6A修饰的生理意义是什么呢？

m6A的动态调控在胚胎干细胞的自我更新和分化中发挥了重要功能。研究者以胚胎干细胞为模型，发现诱导敲低小鼠胚胎干细胞中的SETD2，可引起基因组H3K36me3和转录组m6A修饰同时显著降低。去甲基化主要发生在干性相关基因上，比如Oct4、Nanog、Sox2和Klf4，从而导致这些干性基因的表达增强并抑制小鼠胚胎干细胞的体外分化进程。说明这一机制在小鼠的胚胎干细胞分化过程中具有重要意义。

该研究首次从全基因组和转录组角度揭示了m6A 对RNA以及修饰位点集中在stop codons附近的选择决定机制，阐明了组蛋白H3K36me3修饰通过招募METTL14，介导MTC对新生RNA m6A修饰的工作模型（下图），证实了表观遗传组与表观转录组之间存在密切关联，为表观遗传领域的研究开辟了新的方向。

同时，我们也注意到，关于m6A在stop codons富集的机制，Richard I. Gregory教授等（Nature, 2018）给出了另一种可能的原因。他们发现METTL3与eIF3h结合，通过促进mRNA的环化调节蛋白翻译效率，而METTL3结合在mRNA的位置，正好是3’UTR靠近stop codons的地方。因此，METTL3很可能在促进翻译的同时促进了该位点的m6A修饰【3】。

有趣的是，转录过程发生在细胞核中，而翻译发生在细胞质中，这两项研究似乎可以通过空间的隔离达成和解：在细胞核中，METTL14结合H3K36me3，介导新生RNA的m6A修饰；在细胞质中，METTL3结合eIF3h，介导正在翻译的mRNA的m6A修饰。

事实上，m6A去甲基化酶FTO就是一个核质穿梭的蛋白。何川教授等人（Molecular Cell,2018）发现FTO在不同细胞中的核质分布比例不同，而不同的定位又会造成FTO具有不同的功能【4】。

那么，MTC复合体在不同体系中的核质分布是否不同？MTC的不同分布对m6A的影响是什么？MTC的亚细胞定位是由什么机制决定的？有待进一步研究。

此外，值得一提的是，Tony Kouzarides教授等人(Nature, 2017)发现METTL3和METTL14主要结合在白血病细胞基因组的启动子区，并与组蛋白H3K4me3修饰相关【5】，这似乎和METTL14结合富集在3’UTR和CDS区的H3K36me3修饰矛盾。进一步分析METTL14在不同体系中与DNA和组蛋白修饰的互作情况，将有可能给出合理的解释。

最后，类似组蛋白，RNA上也具有丰富的不同种类的修饰，同一RNA分子是否受多种不同修饰的影响？这些修饰之间是否存在cross talk？RNA修饰间的cross talk是否影响m6A的选择性？中科院上海生化所的陈玲玲教授等人（Molecular Cell，2018）发现RNA m6A抑制RNA A-to-I编辑【6】，说明不同RNA修饰间确实存在cross talk，但目前对促进m6A的其他RNA修饰，还未见有报道。

RNA m6A修饰是一个非常富有朝气和活力的研究领域，期待未来更多的研究为我们全面的揭示m6A的加工，选择和功能！

据悉，陈建军教授研究组的助理研究教授黄慧琳、翁桁游，杨建华教授研究组的博士生周克任以及何川教授研究组的博士生吴桐和赵伯譞为本文的共同第一作者，陈建军教授、杨建华教授、何川教授和黄刚教授为本文的共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1016-7

专家点评

朱冰（中科院生物物理研究所研究员，国家“杰青”）

表观遗传修饰的研究大致可以分为两个方向：抑制基因表达的表观遗传修饰，例如DNA甲基化和组蛋白H3K9和H3K27甲基化；伴随活跃转录的表观遗传修饰，例如组蛋白乙酰化和H3K4和H3K36的三甲基化修饰。对于抑制性表观遗传修饰，大家的关注领域主要是它们在细胞命运的继承和转换中的作用。它们往往起着稳定细胞命运继承和阻碍细胞命运转换的作用。对于伴随活跃转录的表观遗传修饰，则经常还有一个存在误导性的称呼，也即所谓激活性的表观遗传修饰。确实，组蛋白乙酰化修饰确实可以帮助激活转录，但其它一些伴随活跃转录的表观遗传修饰却未必起着直接激活转录的作用。例如启动子区富集的H3K4三甲基化修饰，它确实可以参与通用转录因子TFIID的招募，但其在转录激活过程中的贡献只是辅助性的。富集于基因区的H3K36三甲基化修饰虽然是和转录活性相关性最高的表观遗传修饰，但其实并没有明确的证据表明其促进转录。那么，它的作用是什么呢？这篇文章给出了一个非常新颖有趣的指向。

在这篇文章中， 陈建军/杨建华/何川/黄刚实验室合作发现，组蛋白H3K36三甲基化修饰与mRNA 的m6A修饰在细胞内存在正相关性，负责mRNA m6A修饰的MTC复合体中的METTL14亚基能够直接识别三甲基化的H3K36，从而实现细胞内MTC复合体的染色质招募。

该工作的展开非常清晰明了。其新颖性是将伴随活跃转录的表观遗传修饰H3K36三甲基化和最近非常活跃的领域mRNA的m6A修饰衔接了起来。由于转录就发生在其染色质模板附近，长期以来，科学家们都认为伴随转录的表观遗传修饰应该可以协调共转录发生的mRNA加工事件。例如，H3K36三甲基化修饰也被报道参与mRNA的剪接调控。然而，这一领域中特别明确的例证不多，而该工作恰恰在这个领域里指出了一个新的方向——H3K36三甲基化修饰也能协调mRNA的共价修饰。

由于这是一个新的方向，有很多问题可能会是今后需要回答的。例如：1. 几乎所有活跃转录的基因上都有高的H3K36三甲基化修饰，但m6A 修饰在不同的mRNA中存在较大的差异，其选择性是如何实现的？2. METTL14没有已知的H3K36甲基化识别结构域，它和H3K36三甲基化的结合应该通过一个新的识别机制实现，其结构生物学基础是什么？

制版人：子阳

参考文献

1. Meyer, K. D. et al. Comprehensive analysis of mRNA methylation reveals enrichment in 3′ UTRs and near stop codons. Cell 149, 1635–1646 (2012).

2. Dominissini, D. et al. Topology of the human and mouse m6A RNA methylomes revealed by m6A-seq. Nature 485, 201–206 (2012).

3. Junho Choe, et al. mRNA circularization by METTL3–eIF3h enhances translation and promotes oncogenesis，Nature 561, pages556–560 (2018)

4. Jiangbo Wei, et al. Differential m6A, m6Am, and m1A Demethylation Mediated by FTO in the Cell Nucleus and Cytoplasm，Molecular Cell, Vol. 71, Issue 6

5. Isaia Barbieri, et al. Promoter-bound METTL3 maintains myeloid leukaemia by m6A-dependent translation control. doi:10.1038/nature24678

6. Jian-Feng Xiang, et al. N6-Methyladenosines Modulate A-to-I RNA Editing, Molecular Cell，Volume 69, ISSUE 1, P126-135.e6, January 04, 2018

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