Genome Biol︱何川团队解析YTHDF家族蛋白功能的“不同”与“同”

来源︱“逻辑神经科学”姊妹号“岚翰生命科学”撰文︱邹钟毓，何  川责编︱王思珍，方以一编辑︱方以一

自从2010年何川课题组发现FTO（fat mass and obesity-associated protein）可以可逆去除腺苷（adenosine，A）上的N⁶-甲基腺苷（N⁶-Methyladenosine，简称m⁶A）修饰[1]，研究者们已经发现它在各种生命活动中的重要调控作用[2]。m⁶A可以通过甲基阅读器(reader）蛋白的特异性结合来实现对RNA命运的选择性调节。YTHDF家族蛋白（YTH N⁶-methyladenosine RNA binding proteins，包括YTHDF1、YTHDF2和YTHDF3） 是被研究最多的阅读器蛋白。在结合m⁶A修饰的RNA之后，YTHDF1可以提升翻译效率，YTHDF2可以加快降解进程，而YTHDF3两者功能兼具，还可以在细胞质中将m⁶A修饰的RNA递送给YTHDF1或YTHDF2。然而，基于它们氨基酸序列的相似性，部分研究者提出它们功能冗余，共同促进RNA降解，与翻译过程并不相关[3]。因此，清楚认识YTHDF家族蛋白的功能对于m⁶A功能的研究至关重要。

2023年1月24日，芝加哥大学何川教授课题组在Genome Biology上发表了题为“The mechanism underlying redundant functions of the YTHDF proteins”的研究。该研究指出对YTHDF蛋白功能的研究应该聚焦于蛋白的RNA目标（target-based analysis）而不是细胞里所有的甲基化RNA，并且YTHDF蛋白相互间的区别主要来自低复杂度区域（low-complexity domain），因此能够形成不同的相分离（phase separation）结构。而YTHDF的“冗余”功能，则来自于YTHDF蛋白缺失后导致的处理小体（P-body）的过度聚集。

研究人员首先对得出YTHDF蛋白功能冗余的文献的方法论进行了研究[3]，发现他们基于细胞里全部m⁶A修饰过的RNA数据集对YTHDF蛋白敲低后的变化进行了分析，并且得出了YTHDF蛋白不影响翻译效率的结论。此方法分析了~4400个RNA，而其中有~3000个并没有被YTHDF蛋白结合（图1a）。因此，这些与YTHDF功能无关的RNA稀释了本身YTHDF蛋白的功能。将研究对象转变为YTHDF蛋白结合的RNA后，研究者得出了明确的结论，YTHDF1敲低显著降低YTHDF1结合RNA的翻译效率，不影响YTHDF2结合RNA；而YTHDF2敲低显著提高YTHDF2结合RNA的丰度，不影响YTHDF1结合的RNA（图1c）。因此，基于RNA目标的分析（target-based analysis）才能正确理解YTHDF蛋白的功能。

图1 基于RNA结合蛋白目标的分析揭示YTHDF1与YTHDF2有独立的功能

（图源：Zou Z, et al., Genome Biology, 2023）

研究人员进一步对YTHDF蛋白的氨基酸序列进行了比对，发现它们在低复杂度区域区别较大（图2e,f）。体外的纯化后的YTHDF低复杂度区域表现出了性质上的不同，YTHDF1和YTHDF3更相似，形成环状结构，而YTHDF2形成纤维状结构（图2g）。对YTHDF蛋白在细胞中的位置进行分析后也发现YTHDF1和翻译相关蛋白（eIFs）更相近，而YTHDF2和RNA降解相关蛋白（CNOTs）在空间上更靠近，YTHDF3在两者之间。因此，YTHDF蛋白有着明显可区分的化学组成，物理性质以及生物学功能。

图2 YTHDF蛋白在低复杂度区域有着不同的性质，导致了不同的生物学功能

（图源：Zou Z, et al., Genome Biology, 2023）

最后，研究人员发现当YTHDF蛋白全部被敲低之后，细胞中重要的RNA保存器P-body的数目有着明显的提升，从而导致了与m⁶A无直接相关的RNA稳定效应。研究者发现敲低全部YTHDF蛋白（siYTHDF1-3）后对整体转录组的影响与敲低任何一个YTHDF蛋白都不相似，而且与m⁶A修饰无直接关联（图3a）。因此，YTHDF蛋白的“冗余”功能实际上来自于它们的未被了解的功能。而进一步研究发现这些RNA稳定效应与RNA在P-body中的富集度有关，并且YTHDF蛋白敲低会导致P-body变多（图3b,c）。之后，通过对P-body的调控（敲低和过表达DDX6，P-body形成的重要分子），研究者验证了全部YTHDF蛋白敲低后，RNA稳定效应来自YTHDF蛋白对P-body的调控（图3d-f）。

图3 YTHDF蛋白敲低后的RNA高稳定性来自P-body的变多，而不是严格与m⁶A相关

（图源：Zou Z, et al., Genome Biology, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

该研究对YTHDF蛋白的功能进行了系统性研究，提出了基于RNA结合蛋白RNA目标的分析（target-based analysis）对YTHDF蛋白功能的研究的必要性。并且发现了YTHDF蛋白有着不同的低复杂度结构域和相分离性质，而这种区别决定了它们的功能特异性。并且YTHDF蛋白的相分离性质导致了在它们全部被敲低的时候的整体转录组稳定效应。这一系列结论揭示了YTHDF蛋白的相分离和它们的功能息息相关，启发了后续对YTHDF蛋白相分离的研究。

原文链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02862-8

芝加哥大学博士学生邹钟毓是论文的第一作者，芝加哥大学何川教授是论文通讯作者。该研究成果由美国National Institute of Health基金提供支持。

通讯作者：何川

（图片提供自：何川团队）

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[1] Jia, G., Fu, Y., Zhao, X. et al. N⁶-Methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO. Nat Chem Biol 7, 885–887 (2011).

[2] Shi, H., J. Wei, and C. He, Where, When, and How: Context-Dependent Functions of RNA Methylation Writers, Readers, and Erasers. Mol Cell, 2019. 74(4): p. 640-650.

[3] Zaccara S, Jaffrey SR. A unified model for the function of YTHDF proteins in regulating m⁶A-modified mRNA. Cell. 2020;181(7):1582–1595 e18

本文完