Science | 何川/韩大力/高亚威合作发现m6A调控染色质状态和转录

撰文 | 小柚

责编 | 兮

N6甲基腺嘌呤（m6A）是真核生物mRNA上常见的修饰类型，受“书写”蛋白（METTL3/METTL14复合体），“擦除”蛋白（FTO和ALKBH5）及“阅读”蛋白（YTH家族蛋白和HNRNP等）的调控。

近年来，m6A被证明在多种生命过程中发挥重要作用，包括动物生长发育，果蝇性别决定，癌症发生发展，免疫反应以及胚胎发育等方方面面。这些研究对m6A作用机制的阐述主要集中在对蛋白编码基因的命运决定上——影响mRNA稳定性或翻译效率。

在小鼠胚胎干细胞中，编码多能因子（pluripotency factor）的mRNA被m6A修饰，并在细胞质中由m6A阅读蛋白YTHDF2降解，影响干细胞分化【1】。然而，m6A似乎还有独立于YTHDF2的功能。因为敲除YTHDF2的小鼠可以存活到胚胎发育晚期，而敲除METTL3的小鼠在胚胎发育早期死亡。有趣的是，敲除YTHDC1可以模拟METTL3敲除的表型，而YTHDC1是位于细胞核内的m6A阅读蛋白【2】。并且，研究发现METTL3结合染色质并可能影响转录过程【3】。这些研究提示m6A可能在细胞核中具有重要功能。

2020年1月17日，美国芝加哥大学何川，中科院北京基因组研究所韩大力和同济大学高亚威教授合作在Science发表研究“N6-methyladenosine of chromosome-associated regulatory RNA regulates chromatin state and transcription”，该研究发现染色质相关RNAs上的m6A修饰可调控染色质状态和转录，刷新了我们对m6A功能的认识。

为研究m6A修饰在细胞核中的功能，研究者分析了小鼠胚胎干细胞（mESCs）中METTL3敲除对新生RNA的影响。令人惊讶的是，METTL3敲除极大地促进了新生RNA的合成和染色质的开放，并且该现象无法被补回无酶活性的METTL3挽救，说明METTL3通过m6A修饰依赖的方式调控转录。

该现象是否与m6A的细胞核内阅读蛋白YTHDC1相关呢？YTHDC1敲除能很好的重现RNA转录增加和染色质开放性提高的现象，而m6A细胞质阅读蛋白YTHDF2则不能。这提示YTHDC1介导了m6A阅读参与了染色质状态的调控。

研究者分离了去除rRNA后细胞核内的染色质相关组分和非染色质相关组分，发现METTL3敲除后，染色质相关组分中的RNA m6A变化最显著（超过50%），表达量明显下降。特别的，基因间转录本对这一过程的响应最明显。

研究者进一步分析了三类位于基因间的染色质相关RNAs，即启动子相关RNA，增强子RNAs和转录自转座子元件的重复RNAs（repeats RNAs），并命名为染色质相关调节RNAs（chromosome-associated regulatory RNAs，carRNAs）。carRNAs具有和mRNA类似的m6A修饰motif。约15-30%的carRNAs携带m6A修饰，其中60%可响应METTL3的变化，并在YTHDC1敲除后上调。

carRNAs被认为可参与染色质状态的调节，并影响临近基因的表达。那么，METTL3是否通过影响carRNAs的m6A修饰，从而影响染色质状态呢？确实，YTHDC1通过NEXT复合体【4】降解携带m6A的carRNAs，carRNAS的降低导致临近基因表达量的下降。在转录组分析中，carRNAS临近基因也显示出对m6A变化更强烈的响应。

进一步的研究显示，carRNAs可通过招募CBP/EP300和YY1等参与染色质状态调整，影响激活型组蛋白修饰（H3K4me3和H3K27ac）在染色质上的分布。

总的来说，该研究发现在小鼠胚胎干细胞中敲除METTL3或YTHDC1可以通过m6A依赖的方式提高染色质的开放性并激活转录。METTL3修饰carRNAs（包括启动子相关RNAs，增强子RNAs和序列重复RNAs），YTHDC1通过NEXT复合体降解这些RNAs。当敲除METTL3或YTHDC1时，carRNAs的增加提高染色质的开放状态并促进下游基因的转录。该研究首次揭示了m6A修饰与染色质状态和转录间的关系，为研究m6A功能和作用方式提供了全新的思路和方向，具有重要意义。

有趣的是，肖锐和付向东教授发现大量RNA结合蛋白可结合在染色质上，并发挥类似转录因子的功能，广泛参与转录调控（详见BioArt报道：Cell | 武汉大学肖锐组与付向东组合作系统揭示新型转录因子-RNA结合蛋白参与调控转录）。m6A参与染色质状态的研究，也同时为研究具有催化活性的RNA结合蛋白在染色质上的功能，提供了重要参考。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/01/15/science.aay6018

参考文献

1. I. Ivanova et al., The RNA m6A reader YTHDF2 is essential for the post-transcriptional regulation of the maternal transcriptome and oocyte competence. Mol Cell 67, 1059-1067 (2017).

2. S. D. Kasowitz et al., Nuclear m6A reader YTHDC1 regulates alternative polyadenylation and splicing during mouse oocyte development. PLoS genetics 14, e1007412-e1007412(2018).

3. I. Barbieri et al., Promoter-bound METTL3 maintains myeloid leukaemia by m6A-dependent translation control. Nature 552, 126-131 (2017).

4. M. Lubas et al., Interaction profiling identifies the human nuclear exosome targeting complex. Mol Cell 43, 624-637 (2011).