G-四链体(G-quadruplexes,
G4s)是由富含鸟嘌呤形成的二级结构,存在于DNA或RNA序列当中。近年来的研究发现,RNA分子中
G-四链体主要定位在mRNA的5′和3′非翻译区。RNA
G-四链体在RNA生物学,比如RNA剪切加工,成熟,运输及翻译中发挥重要调控作用。人类转录组中大约有3000个基因的mRNA
5′
UTR中包含G-四链体序列,提示G-四链体有可能是mRNA生物学调控的通用调控结构。

Nature, 2017, 542(7642): 475-478.

m5C调控mRNA出核

(模式动物研究所 孙倩 科学技术处)

  1. “Eraser”:

RNA甲基化是表观转录组调控的一种重要形式,对RNA转录后调控以及恶性肿瘤等相关疾病的诊断和治疗有重要意义。杨运桂研究团队一直致力于该领域的研究,参与发现了RNA甲基化修饰m6A相关酶(Jia
et al. Nature Chemical Biology 2011; Zheng et al. Molecular Cell
2013; Ping et al. Cell Research 2014)及其甲基化位点选择性机制(Chen et
al. Cell Stem Cell 2015)和m6A修饰外显子被保留现象(Zhao et al. Cell
Research
2014),m6A结合蛋白YTHDC1(Xiao et al. Molecular Cell
2016)和YTHDF3 (Li et al. Cell Research 2017)
分别调控mRNA剪接和翻译机制,阐明了mRNA
m5C修饰规律、甲基转移酶和结合蛋白及其调控mRNA出核机制。本次发表的研究成果将为进一步研究RNA甲基化调控的生物功能和RNA表观遗传提供依据,为研究与正常生理或异常病理生命活动关联分子机理提供新的表观调控研究方向。

该研究得到科技部和自然基金委的项目支持。

表观遗传学是指在DNA序列不改变的情况下,基因功能发生的可遗传的变异,最终可导致表型变化,包括DNA表观遗传学以及RNA表观遗传学。

该项研究得到科技部、国家自然科学基金和中科院先导等项目的支持。

www.56.net 1

2017年Nature杂志研究发现m6A依赖的RNA降解,是一种调节母源mRNA清除的新机制[3]。众所周知,“受精”是雌雄生殖细胞融合而产生新生命的过程,受精卵早期发育阶段,成熟的卵母细胞中储备了大量母源因子,为受精后早期胚胎快速发育提供所需的RNA和蛋白质。在受精后一段时间内,母源性mRNA和蛋白质被消耗殆尽或者发生主动降解,胚胎基因组才被激活,发育程序才处于胚胎自身基因的调控之下,即母源因子-合子基因组转换。母源因子的有效清除,才能保证胚胎的继续发育。

www.56.net 2

杨中州教授和王文恭教授是这篇论文的共同通讯作者,博士生聂俊伟与江明扬为共同第一作者。

1

研究团队首先建立改进的RNA
m5C单碱基分辨率高通量测序与生物信息分析技术,揭示了mRNA
m5C的分布规律,并绘制了精细的m5C修饰图谱,发现m5C在mRNA的翻译起始位点下游有显著富集,并且主要分布于CG富集区域。通过分析对比人和小鼠不同组织,发现m5C在mRNA上的分布特征在哺乳动物中十分保守,而在不同组织中修饰的基因具有特异性。研究团队同时发现,在小鼠睾丸发育过程中,动态的m5C修饰基因显著富集于精子发育相关功能,提示m5C修饰参与生殖发育调控。

2015年10月27日,Cell杂志子刊Cell
Reports以封面特色形式发表了模式动物研究所杨中州实验室和北京大学医学部王文恭实验室的合作论文“Post-transcriptional
regulation of Nkx2-5 by RHAU in heart
development”,该研究揭示了心脏发育关键基因Nkx2-5的转录后调控新机制。

参考文献

中国科学院北京基因组研究所精准基因组医学重点实验室及遗传与发育协同创新中心杨运桂研究组和郑州大学第一附属医院生殖与遗传专科医院孙莹璞研究组、中国科学院生态环境研究中心汪海林研究组合作研究,揭示了m5C修饰在mRNA的分布图谱规律及其对调控mRNA出核作用新机制。该研究成果以5-methylcytosine
promotes mRNA export–NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an
m5C reader
为题,于4月18日在《细胞研究》(Cell Research)杂志发表。

以前的研究发现,RNA结合蛋白RHAU可以结合G-四链体,将其打开,但参与的生物学功能尚不明了。在小鼠中剔除Rhau会导致胚胎死于第7.5天左右,证明RHAU对早期胚胎发育至关重要,并提示在器官发育过程中可能发挥关键作用。为了研究RHAU在心脏发育过程中的功能,杨中州实验室在心脏祖细胞中将Rhau剔除,发现剔除小鼠发生胚胎致死,心脏发育出现异常,证明RHAU对胚胎心脏发育不可或缺。通过生化及分子生物学实验分析,发现RHAU可以结合心脏发育关键基因Nkx2-5
mRNA的5’及3’ UTR,调控mRNA稳定性及蛋白质翻译。RHAU结合Nkx2-5 mRNA的3’
UTR中的ARE元件促进Nkx2-5 mRNA降解,而结合Nkx2-5 mRNA的5’
UTR中的G4二级结构,将其打开,促进蛋白质翻译。Rhau剔除小鼠心脏组织中,Nkx2-5
mRNA水平虽然升高,但Nkx2-5蛋白水平却显著降低。该研究阐述了Nkx2-5转录后调控的新机制,揭示了mRNA分子中非翻译区域中的调控元件及其功能。这项研究证实了mRNA
5′ UTR G-四链体介导的蛋白质翻译在器官发生中的作用

RNA结合蛋白,包含YTH家族的成员:YTHDF1,YTHDF2,YTHDF3和YTHDC2,参与RNA识别以及结合。

在获得精细的RNA
m5C单碱基分辨率修饰图谱后,研究团队发现NSUN2蛋白是主要的mRNA
m5C甲基转移酶,其活性依赖于C271和C321位点,且NSUN2功能缺失导致mRNA的出核受到抑制。通过进一步的研究发现,出核调控蛋白ALYREF通过第171位赖氨酸特异性结合m5C修饰位点,从而促进mRNA出核。至此,研究团队发现了mRNA
m5C主要甲基转移酶NSUN2及其第一个结合蛋白ALYREF,并揭示了m5C调控mRNA出核的重要功能。

2

2018年5月15日发表在Molecular
Cell杂志研究发现:锌指蛋白Zc3h13能够与WTAP,Virilizer,蛋白互作。在小鼠胚胎干细胞中敲除Zc3h13可以引起mRNA
m6A水平显著降低,同时导致WTAP,Virilizer以及Hakai定位转移至细胞质内,改变干细胞的形态并减少mESC自我更新能力,同时还可以触发mESC的分化。以上结果证明Zc3h13在将WTAP,Virilizer和Hakai锚定在细胞核中以及促进m6A甲基化和调节mESC自我更新方面起关键作用[5]。

3.Zhao Boxuan Simen,Wang Xiao,Beadell Alana V et al. mA-dependen
maternal mRNA clearance facilitates zebrafish maternal-to-zygotic
transition.[J] .

  1. Yang Ying,Hsu Phillip J,Chen Yu-Sheng et al. Dynamic transcriptomic
    mA decoration: writers, erasers, readers and functions in RNA
    metabolism.[J] .Cell Res., 2018, 28(6): 616-624.

  2. Lee Mihye,Kim Boseon,Kim V Narry. Emerging roles of RNA modification:
    m(6)A and U-tail.[J] .Cell, 2014, 158(5): 980-987.

4.Zhang Chunxia,Chen Yusheng,Sun Baofa et al. mA modulates
haematopoietic stem and progenitor cell specification.[J] .Nature,
2017, 549(7671): 273-276.

m6A是指发生于腺嘌呤的第6位氮原子上的甲基化修饰。是一种动态可逆的修饰方式,通过甲基化酶复合物进行甲基的“书写”,脱甲基酶进行甲基的
“擦除”,以及特定的蛋白质来与之结合“阅读”,进而调控基因表达、剪接、RNA
编辑、RNA 稳定性、控制mRNA寿命和降解、介导RNA翻译等生物学过程[1]【www.56.net】于十一月五日在《细胞商量》(,发现HighlanderHAU能够整合心脏生长主要基因Nkx2-5。。

近年来,m6A生物学功能已备受关注,并成为生命科学热门研究领域之一。

5.Wen Jing,Lv Ruitu,Ma Honghui et al. Zc3h13 Regulates Nuclear RNA mA
Methylation and Mouse Embryonic Stem Cell Self-Renewal.[J] .Mol. Cell,
2018, 69(6): 1028-1038.e6.

m6A甲基化修饰受到多种组分的调控[2],包括:

www.56.net 3

RNA甲基化转移酶, METTL3、
METTL14、WTAP、KIAA1429、RBM15、ZC3H13等,负责在RNA上加上甲基,介导甲基化过程。

  1. “Reader:
  1. “Writer”:

目前,约
150种RNA修饰方式已被鉴定参与不同类型的RNA的转录后修饰,包括信使RNA,转运RNA,核糖体RNA,小分子非编码RNA和长链非编码RNA。其中,m6A是最常见的真核生物mRNA转录后修饰形式之一。

2017年Nature杂志发表的研究成果表明,m6A能在斑马鱼的胚胎发育内皮细胞向造血细胞转变过程中,影响最早的造血干细胞/祖细胞的命运[4]。作者通过通过敲减胚胎内甲基转移酶Mettl3,引起m6A峰值水平降低,结果显示胚胎中胚层的形成不受影响,但内皮细胞和造血干细胞HSPCs的数量显著减少、内皮细胞未能转化为造血细胞。进一步的机制研究显示m6A峰值降低可以引起notch1a表达升高,进而抑制血管内皮细胞向HSCs转化。提示
m6A修饰在胚胎发育内皮细胞向造血细胞转变过程中起到平衡作用,决定造血祖细胞命运。

通过以上的内容,可以发现m6A的在胚胎发育、干细胞分化、造血系统、免疫系统都发挥着十分重要的生物学功能,m6A的研究促进了表观遗传学的发现,对于其新的调控机制尚待进一步的发现。

在作者研究中发现Ythdf2在整个早期胚胎发育中广泛表达,通过
Ythdf2-/-雌性斑马鱼与野生型雄性斑马鱼交配,阻碍了母源因子-合子基因组转换,导致胚胎发育停滞。而向Ythdf2-/-胚胎中注射GFP-m6A-mRNA,发现Ythdf2-/-GFP的荧光强于对照组,外源性m6A-mRNA降解速度降低。证明m6A修饰的mRNA的降解是Ythdf2依赖性的。作者提出Ythdf2在MZT
过程中参与母源mRNA的清除。

3

去甲基化酶包括FTO和ALKBH5,参与去除RNA上的甲基,介导去甲基化过程。

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