2021年度RNA表观修饰调控胚胎干细胞机制新发现
撰文│吴悠
编辑│陈圆圆
审校│汤红明
m6A参与了胚胎干细胞的维持以及其通过对染色质RNA（chromatin-associated regulatory RNA, carRNA）甲基化修饰的调控，达到对染色质状态的调控。
研究背景：初次发现m6A与胚胎干细胞的干性密切相关
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N6-甲基腺苷是生物体中mRNA上含量最多的修饰，早在40多年前这种甲基化修饰就被发现，但直到2014年左右，m6A的功能和重要性才被科学家再次重视，多篇文章报道在哺乳动物胚胎干细胞（Embryonic stem cell, ESC）中，m6A修饰会影响细胞的分化以及发育。2014年，哈佛团队Howard Y.Chang和Cosmas C.Giallourakis发现，敲除m6A的甲基转移酶Mettl3和Mettl14会导致小鼠胚胎干细胞m6A水平的降低，并引起胚胎干细胞的自我更新能力增强，分化能力降低。2015年，Science同样报道了m6A甲基化调控了胚胎干细胞Naïve状态到分化的转变。来自以色列的Jacob H. Hanna团队研究人员发现，m6A的甲基转移酶Mettl3敲除胚胎存在植入后发育异常，胚胎8.5天致死的现象。而由Mettl3敲除囊胚建立的naïve ES细胞系存在分化障碍，但在primed ES细胞中，Mettl3的缺失则加速细胞分化。这种现象的出现主要由于m6A调控了细胞特异性基因的降解，包括Naïve细胞中特异性mRNA Nanog等多能性基因被m6A所调控，primed细胞中谱系分化相关基因同样富集m6A。这些报道说明m6A在调控胚胎干细胞多能性以及谱系分化过程中存在重要作用。至此，RNA修饰对胚胎干细胞的作用研究刚刚拉开了序幕。
今年接连4篇文章报道m6A调控胚胎干细胞新机制
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2021年以来，Nature以及国内高影响力期刊Protein & Cell连续报道了4篇RNA m6A修饰调控胚胎干细胞的工作，分别是1月13日上线的来自法国巴黎居里研究所的Deborah Bourc’his和Tomasz Chelmicki团队合作发表的题为“m6A RNA methylation regulates the fate of endogenous retroviruses”的文章。紧接着是1月17日来自复旦大学生物医学研究院的沈宏杰青年研究员和牛津大学Ludwig肿瘤研究所的Yang Shi教授合作在Nature在线发表了题为“METTL3 regulates heterochromatin in mouse embryonic stem cells”的研究论文。3月3日，中国科学院广州生物医药与健康研究院陈捷凯课题组在Nature发表题为“The RNA m6A reader YTHDC1 silences retrotransposons and guards ES cell identity”的研究论文。4月22日，同济大学高绍荣/高亚威团队与南京医科大学沈彬组合作在Protein & Cell在线发表了题为“Nuclear m6A reader YTHDC1 regulates the scaffold function of LINE1 RNA in mouse ESCs and early embryos” 的研究长文。这4篇文章分别从不同的角度揭示了m6A参与了胚胎干细胞的维持以及其通过对染色质RNA（chromatin-associated regulatory RNA, carRNA）甲基化修饰的调控，达到对染色质状态的调控。
在哺乳动物基因组中，逆转座子元件是占比约40%的重复序列元件，主要包含长散布核元件LINE（long interspersed nuclear elements）、短散布核元件（short interspersed nuclear elements）以及内源逆转录病毒ERV(Endogenous Retrovirus)，其家族成员包括 IAP（intracisternal A particle）等。它们的转座活性和转录活性在哺乳动物细胞内被严格调控，异常的活跃会造成基因组的不稳定等问题。
Deborah Bourc’his组发现m6A的甲基转移酶METTL3和METTL14是调控内源性逆转录病毒元件IAP稳定性的关键因子，敲除METTL3和METTL14导致IAP等其他ERV元件的表达上升，进一步研究证明METTL3调控了IAP的5’UTR区域的m6A修饰，并招募了YTHDF家族对其进行降解，抑制逆转座子的激活。
图 m6A甲基转移酶敲除后IAP mRNA表达上调
沈宏杰组通过ChIP实验进一步证明了METTL3通过识别IAP上的m6A修饰直接结合在IAP的基因组区域，并招募异染色质组蛋白修饰H3K9me3的甲基转移酶SETDB1和TRIM28，帮助建立IAP基因组上的异染色质修饰，抑制逆转座子的激活和稳定基因组稳定性。
图 Mettl3 结合IAP基因组
紧接着，陈捷凯团队通过对m6A 识别蛋白YTHDC1敲除的胚胎干细胞进行表型分析发现，胚胎干细胞在缺失YTHDC1后呈现出2细胞样（2-cell like, 2C like）的状态，具体表现为2细胞标记基因高表达，细胞能够嵌合至滋养外胚层，且点突变实验证明这种表型与YTHDC1的m6A识别位点相关。进一步研究发现YTHDC1直接结合包括IAP、LINE1等染色质上的逆转座子RNA m6A，并且招募组蛋白H3K9me3甲基转移酶SETDB1，帮助建立H3K9me3甲基化修饰，从而抑制这些逆转座子转录活性。另一方面，与METTL3 KO细胞一样，YTHDC1 KO细胞中Dux基因高表达，从而调控了2细胞相关基因的活性。说明胚胎干细胞向2-cell like状态转变与m6A及其相关蛋白有密切关系，但具体机制仍需进一步挖掘。
图 YTHDC1敲除胚胎干细胞呈现2细胞样
随后，同济大学高绍荣团队的研究同样从m6A识别蛋白YTHDC1入手，揭示了m6A对胚胎干细胞及早期胚胎发育的重要作用。该文作者首先发现YTHDC1对小鼠胚胎干细胞的自我更新和克隆形成至关重要，其胚胎干细胞存在2细胞marker的高表达，而这种变化依赖于其识别m6A的能力。而作为核内蛋白的YTHDC1主要识别了染色质上的LINE1 RNA的甲基化修饰，并与LINE1 RNA的调控蛋白NCL和KAP1/TRIM28具有相互作用。LINE1 RNA作为染色质上的脚手架，调控了包括2C的调控开关Dux等因子。YTHDC1的缺失造成了NCL和TRIM28对LINE1 RNA的结合能力减弱，从而造成KAP1介导的异染色质修饰H3K9me3的建立障碍，引起2C基因的激活。而YTHDC1对2C相关逆转座子H3K9me3建立和转录抑制的调控同样存在于小鼠早期胚胎植入过程。
图 YTHDC1调控2C相关逆转座子示意图
综上，截止2021年5月，这4篇文献所报道的RNA m6A修饰及其相关蛋白对胚胎干细胞的调控不仅仅是通过多能性基因，而是与染色质RNA中的逆转座子RNA具有密切联系，且染色质RNA的甲基化修饰能够通过识别蛋白YTHDC1招募异染色质的甲基转移酶，帮助建立H3K9me3的组蛋白修饰，从而抑制逆转座子的转录激活。这些发现揭示了m6A功能的多样性，它不仅存在于胞质中的mRNA上通过不同的识别蛋白调控mRNA的命运，它还存在于染色质RNA，特别是一些逆转座子RNA，并招募核内m6A识别蛋白以及一些染色质调控因子，对组蛋白修饰的建立以及异染色质状态起到调控作用。
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