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1、RNARNA 甲基化修饰(甲基化修饰(m6Am6A)研究思路及方案设计)研究思路及方案设计RNA甲 基 化 修 饰 约 占 所 有RNA 修 饰 的60%以 上,而N6-甲 基 腺 嘌 呤(N6-methyladenosine,m6A)是高等生物 mRNA 和 lncRNAs 上最为普遍的修饰。目前发现 microRNA,circRNA,rRNA,tRNA 和 snoRNA 上都有发生 m6A 修饰。m6A 修饰主要发生在 RRACH 序列中的腺嘌呤上,其功能由“编码器(Writer)”、“消码器(Eraser)”和“读码器(Reader)”决定1。“编码器(Writer)”即甲基转移酶,目前
2、已知这个复合物的成分有 METTL3,METTL14,WTAP和 KIAA1429;而 ALKBH5 和 FTO作为去甲基酶(消码器)可逆转甲基化;m6A 由 m6A 结合蛋白识别,目前发现m6A 结合蛋白(读码器)有YTH 结构域蛋白(包括 YTHDF1,YTHDF2,YTHDF3,YTHDC1 和 YTHDC2)和核不均一蛋白 HNRNP 家族(HNRNPA2B1和 HNRNPC)。m6Am6A 酶系统酶系统METTL3 是早先被鉴定为结合 SAM 的组件,其缺失引起小鼠胚胎干细胞、Hela 细胞和HepG2 细胞中 m6A peaks 的减少。METTL3 及其同源蛋白 METTL14
3、定位在富含剪切因子的细胞核内亚细胞器核小斑(Nuclear speckle)上,显示修饰可能和的剪切加工相关。WTAP与 METTL3METTL14 二聚体相互作用,并共定位于核小斑,影响甲基化效率,参与mRNA 剪。而KIAA1429 作为候选的甲基转移酶复合体的新亚基,是整体甲基化进程所必须的2。FTO 是 ALKB 家族的成员,作为第一个被发现的去甲基酶,可影响剪切因子 SRSF2 的 RNA 结合能力,进而调控 pre-mRNA 的剪切加工过程3。目前已发现 FTO 调节异常与肥胖、大脑畸形和生长迟缓相关,揭示 m6A 可能对这些疾病具有重要的调节功能4-6。ALKBH5 是 ALKB
4、 家族中被发现具有去甲基作用的另一个成员,以RNase A 敏感的方式与核小斑共定位,它可直接催化 m6A-甲基化腺苷去除甲基而不同于FTO 的氧化去甲基化7.此外,ALKBH5 和它的去甲基化活性影响新生mRNA 合的成和剪切效率7,且 ALKBH5 敲除雄性小鼠表现出精子发生异常,这可能是精子发生相关基因表达改变的结果7。m6A mRNA修饰执行其功能主要通过两个途径:精细调控甲基化转录本的结构,以阻止或诱使蛋白-RNA 相互作用;或被直接由 m6A 结合蛋白识别,诱发后续反应。目前一类含有 YTH 功能结构域的蛋白被鉴定为 m6A 修饰的结合蛋白。其中YTHDF1,YTHDF2,YTHD
5、F3,YTHDC1 和 YTHDC2 己被证实是的结合蛋白.YTHDF1 主要影响修饰基因的翻译,YTHDF2 主要影响修饰基因的降解,而YTHDC1结合修饰的基因后影响其剪接。HNRNPC是一种丰富的核RNA结合蛋白,参与 pre-mRNA 的加工8,且研究表明 HNRNPC 通过 m6A 与 RNA 结合调控目标转录本的丰度和选择性剪切9.图图 1 m6A1 m6A 修饰的酶系统修饰的酶系统1010m6Am6A 生物学功能生物学功能越来越多的证据表明 m6A 修饰在哺乳动物中发挥重要的生物功能。例如,在转录后水平上调控 RNA 的稳定性11、定位12、运输、剪切13和翻译14。Claudi
6、o R.等发现依赖METTL3 的 pri-miRNA 甲基化,会促进 DGCR8 识别和加工,从而促进 microRNA 的成熟15。此外,m6A 识别蛋白 HNRNPA2B1促进 pri-miRNA 加工成 pre-miRNA 16。另外,环状 RNA 上 m6A 的修饰能促进环状 RNA 的翻译17。m6A 修饰在基因表达调控中起着重要的作用,其调控机制的异常可能与人类疾病或癌症相关。目前发现m6A 可能会影响精子发育(ALKBH5,METTL3,Ythdc2)、发育(METTL3、FTO、ALKBH5)、免疫(METTL3)、UV 诱导的 DNA 损伤反应(METTL3,FTO)、肿瘤
7、生成(YTHDF2)或转移(METTL14)、干细胞更新(METTL14)、脂肪分化(FTO)、生物节律、细胞发育分化、细胞分裂及其它的一些生命过程。例如,ALKBH5敲除的雄性小鼠增加了mRNA中的m(6)A修饰,其特点是凋亡影响减数分裂中期的精子细胞,引起生育能力受损 7。METTL3 和METTL14 增加弱精症精子的 m6A 水平18,在生殖细胞中,METTL3 的敲除严重抑制精子分化和减数分裂的发生,转录组和 m6A 分析显示 精子发生相关基因的表达和选择性剪接发生了改变19。YTHDC2 可促进靶基因的翻译效率,并降低其mRNA 的丰度,在精子发生过程中起关键作用。当减数分裂开始时
8、YTHDC2 表达上调,YTHDC2 敲除小鼠的生殖细胞没有经过偶线期的发育导致小鼠不育20。在 DNA 损伤反应中,METTL3 可促进 DNA聚合酶(Pol)与核酸剪切修复途径快速定位到 UV 引起的 DNA 损伤位点,当缺失METTL3 时,细胞无法迅速修复UV 照射引起的突变,并且对UV 照射更加敏感25。在淋巴细胞性小鼠过继转移模型中,Mettl3 缺陷通过影响 mRNA m6A 修饰,降低 SOCS 家族 mRNA 衰减,增加 mRNA 和蛋白表达水平,从而抑制 IL-7 介导的 STAT5活性和 T 细胞内稳态增殖和分化,进而抑制肠炎的发生21。在肝癌中,METTL14 通过调控
9、 pri-miRNA的 m6A 修饰,影响 MiR-126 的生成加工,从而抑制肝癌的转移22。在乳腺癌细胞中,低氧刺激能促进依赖低氧诱导因子 HIF 的 ALKBH5 的表达,而 ALKBH5 过表达降低了NANOG mRNA 的 m6A 修饰,从而稳定 mRNA 提高 NANOG 的表达水平,最终增加乳腺癌干细胞所占的比例23。此外,低氧诱导乳腺癌细胞中依赖ZNF217 的 NANOG 和KLF4 的 mRNA m6A 甲基化抑制,且 ALKBH5 敲除显著降低免疫缺陷小鼠乳腺癌的肺转移24。在肺癌中,METTL3 能够促进肺腺癌细胞的生长、生存和侵袭,但还不清楚它是否作为 m6A 调节器
10、或效应器发挥作用25。在急性髓细胞白血病(AML)患者中,m(6)A调控基因的突变或拷贝数变化与TP53 突变存在密切联系,且m(6)A 调控基因的改变与AML 不良预后相关26。此外,FTO 在 AML 中高表达,它通过降低 mRNA 转录本中的m(6)水平,调节 ASB2 和 RARA 等靶点的表达,增强了白血病癌基因介导的细胞转化和白血病形成,并抑制全反式维甲酸(ATRA)诱导的 AML 细胞分化27。在脂肪形成过程中,FTO表达与 m6A 水平成负相关,促进脂肪形成 3。在胶质细胞瘤样细胞中,ALKBH5 通过lncRNA FOXM1 介导 FOXM1 基因 pre-mRNA 上的 m
11、6A 修饰维持胶质瘤细胞的成瘤性28。此外,甲基转移酶 METTL3 或 METTL14 的敲除,能够改变 m6A 的富集和 ADAM19的表达,极大地促进了胶质瘤细胞的生长、自我更新和肿瘤形成29。图图 2 m6A RNA2 m6A RNA 修饰和介导的功能修饰和介导的功能3030m6Am6A 的研究方向的研究方向(1)主要是通过研究 m6A 修饰相关的甲基化、去甲基化酶和识别蛋白的功能,进而研究 m6A 修饰的生物学功能和作用机制:一般通过敲除 m6A 酶分子,研究下游功能基因分子的表达和 m6A 甲基化情况,通过介导相关基因异常(可变剪切、稳定性、翻译、miRNA 调控)影响细胞表型和功
12、能特征。(2)m6A 修饰图谱构建及作用机制:通过m6A 甲基化测序(MeRIP-Seq,miCLIP)构建疾病细胞模型或者发病组织的 m6A 修饰谱,分析m6A 的 motif,peaks数量及分布,Peak 关联基因的特征,联合 RNA-seq 研究 m6A 甲基化与表达的关系。m6Am6A 研究思路研究思路m6Am6A 研究方案研究方案方案一方案一疾病样本疾病样本 VSVS 正常样本正常样本MeRIP-seqMeRIP-seqRNA-seqRNA-seq1.m6A 修饰图谱分析2.m6A 修饰差异基因分析3.差异表达基因 m6A 修饰特征分析4.差异表达基因关联分析MeRIP-PCRMe
13、RIP-PCR、qPCRqPCR 验证验证TCGATCGA 等等数数据据库库筛筛选选异异常常m6Am6A 相关基因(疾病相关基因(疾病 vsvs 正正临床样本临床样本 qPCRqPCR 验证目标验证目标肿瘤细胞中干扰目标基肿瘤细胞中干扰目标基MeRIP-SeqMeRIP-SeqMTTMTT、流式、流式、transwelltranswell细胞增殖、凋亡、侵袭细胞增殖、凋亡、侵袭筛选下游基因筛选下游基因方方案二案二IP/pull downIP/pull down 验证目标验证目标过过 m6Am6A 调控下游基调控下游基研究案例研究案例研究案例一研究案例一(m6Am6A 修饰图谱分析)修饰图谱分析
14、)BerulavaT,RahmannS,RademacherK,Klein-HitpassL,HorsthemkeB:N6-adenosine methylation in MiRNAsN6-adenosine methylation in MiRNAs.PLoS One 2015,10(2):e0118438.在许多不同种类的 RNA 中,都已观察到N6-腺苷(m6A)的甲基化,但其在microRNAs 中还没有被研究。研究者在 FTO1C1,FTO2D4 和 FTO3C3细胞系中,通过敲除 m6A 甲基转移酶 FTO 筛选到表达差异的 microRNA,说明 miRNA 受 m6A 甲基化
15、的调控。进一步通过MeRIP-Seq 发现相当一部分的 microRNA 具有 m6A 修饰。通过 motif 分析,他们发现了区分甲基化和非甲基化 microRNA 的一致序列。该文章所述的表观遗传修饰在基因表达的转录后调控的复杂性上增加了一个新的层次。图图 1 1 FTO FTO敲除对甲基化的敲除对甲基化的 miRNAsmiRNAs 的稳定状态的影响。的稳定状态的影响。研究案例二(机制研究)研究案例二(机制研究)IF=13.2IF=13.2Ma JZ,Yang F,Zhou CC,Liu F,Yuan JH,Wang F,Wang TT,Xu QG,Zhou WP,Sun SH:METTL
16、14METTL14suppressessuppressesthethemetastaticmetastaticpotentialpotentialofofhepatocellularhepatocellularcarcinomacarcinomabybymodulatingmodulatingN6N6-methyladenosine-dependent primary MicroRNA processing-methyladenosine-dependent primary MicroRNA processing.Hepatology2017,6565(2):529-543.m6A 修饰已被证
17、明具有重要的生物学功能,但其在癌症上的作用还未得到较好的研究。为探索 m6A 修饰是否参与肝癌的调控,作者利用试剂盒检测发现m6A 整体甲基化在肝癌下调,分离 RNA 做 m6A 免疫印迹验证 m6A 水平在肝癌中下调。为研究哪些因子导致 m6A 在肝癌的下调,作者在 20 例肝癌及癌旁中检测 m6A 甲基化酶和去甲基酶的表达,发现 METTL14 在肝癌显著下调,进一步通过 130 例病人分析发现METTL14 作为肝癌预后因子,细胞实验发现其敲除可增强肝癌转移。接下来作者研究 METTL14 抑制肝癌转移的机制,由于已有研究显示 m6A 修饰能够增强DGCR8 蛋白识别 pri-miRNA
18、s,促进miRNAs 的成熟,因此作者在METTL14 敲除细胞中检测miRNA和pri-miRNAs的表达,发现miR-126下调。通过免疫沉淀反应发现METTL14与 DGCR8 依赖 RNA 相互作用,且 CLIP 实验显示 DGCR8 与 m6A-RNA 相互作用且敲除METTL14 后结合作用降低,说明METTL14 通过m6A修饰促进DGCR8识别pri-miR-126.最后细胞实验证明MiR-126 能够回复 METTL14 的肝癌细胞转移抑制功能,证明了METTL14 通过 m6A 修饰促进 miR-126 加工,从而抑制肝癌细胞转移。图图 1 METTL141 METTL14
19、 在肝癌中下调在肝癌中下调图图 2 METTL142 METTL14 依赖的依赖的 m6Am6A 通过通过DGCR8DGCR8 调控调控 miR-126miR-126 加工加工研究案例三(机制研究)研究案例三(机制研究)IF=27.4IF=27.4Zhang S,Zhao BS,Zhou A,Lin K,Zheng S,Lu Z,Chen Y,Sulman EP,Xie K,Bogler O et al:m6Am6ADemethylaseDemethylase ALKBH5ALKBH5 MaintainsMaintains TumorigenicityTumorigenicity ofof G
20、lioblastomaGlioblastoma Stem-likeStem-like CellsCells byby SustainingSustainingFOXM1 Expression and Cell Proliferation ProgramFOXM1 Expression and Cell Proliferation Program.Cancer Cell 2017,3131(4):591-606 e596.DNA 甲基化异常是胶质瘤的表观遗传调控因子,但 RNA 甲基化在肿瘤包括恶性胶质瘤(GBM)中的调控还尚未清楚。为研究 m6A 调节可能导致 GBM 患者临床疗效不佳,作者通
21、过 TCGA数据库,发现 ALKBH5 在恶性胶质瘤样干细胞(GSCs)中高表达且与 GBM 病人不良预后相关,干扰 ALKBH5降低 GSCs 细胞的自我更新能力且抑制GSCs 增殖,进一步体内验证敲除 ALKBH5 可抑制肿瘤生长。为研究 ALKBH5 的 m6A 作用机制,作者利用芯片和 m6A-seq 筛选到胶质瘤增殖相关的FOXM1,最后通过 qPCR、WB、免疫荧光、核质分离 WB/qPCR、RIP 和 MeRIP 等实验证明 ALKBH5 通过去甲基化初期转录本调节FOXM1 在 GSCs 中的表达。为研究 ALKBH5 对 FOXM1 的作用是否受其他因子的调节,作者研究了FO
22、XM1 的邻近基因,发现lncRNA FOXM1-AS与FOXM1序列互补,且共表达、共定位,进一步通过RIP,RNApull down 等实验证明 lncRNA FOXM1-AS 促进 ALKBH5 和 FOXM1 初级转录本的相互作用。最后通过细胞实验进一步验证ALKBH5在lncRNA FOXM1-AS的作用下维持FOXM1的表达和细胞增殖程序,从而维持GSCs 的干性。图图 1 ALKBH51 ALKBH5 敲除细胞中敲除细胞中 m6Am6A 修饰的特征和基因表达的变化修饰的特征和基因表达的变化1.Fu Y,Dominissini D,Rechavi G,He C:GeneGene e
23、xpressionexpression regulationregulation mediatedmediated throughthroughreversible m(6)A RNA methylationreversible m(6)A RNA methylation.Nat Rev Genet 2014,1515(5):293-306.2.Schwartz S,Mumbach MR,Jovanovic M,Wang T,Maciag K,Bushkin GG,Mertins P,Ter-Ovanesyan D,Habib N,Cacchiarelli D et al:Perturbati
24、onPerturbation ofof m6Am6A writerswriters revealsreveals twotwodistinct classes of mRNA methylation at internal and 5 sitesdistinct classes of mRNA methylation at internal and 5 sites.Cell Rep 2014,8 8(1):284-296.3.Zhao X,Yang Y,Sun BF,Shi Y,Yang X,Xiao W,Hao YJ,Ping XL,Chen YS,Wang WJ et al:FTO-dep
25、endentFTO-dependent demethylationdemethylation ofof N6-methyladenosineN6-methyladenosine regulatesregulates mRNAmRNA splicingsplicing andand is isrequired for adipogenesisrequired for adipogenesis.Cell Res 2014,2424(12):1403-1419.4.Fu Y,Jia G,Pang X,Wang RN,Wang X,Li CJ,Smemo S,Dai Q,Bailey KA,Nobre
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28、Loss-of-functionLoss-of-function mutationmutation in in thethe dioxygenase-encodingdioxygenase-encoding FTOFTOgene causes severe growth retardation and multiple malformationsgene causes severe growth retardation and multiple malformations.Am J Hum Genet 2009,8585(1):106-111.7.Zheng G,Dahl JA,Niu Y,F
29、edorcsak P,Huang CM,Li CJ,Vagbo CB,Shi Y,Wang WL,Song SH etal:ALKBH5ALKBH5 is is a a mammalianmammalian RNARNA demethylasedemethylase thatthat impactsimpacts RNARNA metabolismmetabolism andand mousemousefertilityfertility.Mol Cell 2013,4949(1):18-29.8.Cienikova Z,Damberger FF,Hall J,Allain FH,Maris
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36、-methyladenosine marks primaryN6-methyladenosine marks primarymicroRNAs for processingmicroRNAs for processing.Nature 2015,519519(7544):482-485.16.Alarcon CR,Goodarzi H,Lee H,Liu X,Tavazoie S,Tavazoie SF:HNRNPA2B1 Is a Mediator ofHNRNPA2B1 Is a Mediator ofm(6)A-Dependent Nuclear RNA Processing Event
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41、thylation controls T cell homeostasis by targeting the IL-7/STAT5/SOCS pathwaysmRNA methylation controls T cell homeostasis by targeting the IL-7/STAT5/SOCS pathways.Nature 2017,548548(7667):338-342.22.Ma JZ,Yang F,Zhou CC,Liu F,Yuan JH,Wang F,Wang TT,Xu QG,Zhou WP,Sun SH:METTL14METTL14suppressessup
42、presses thethe metastaticmetastatic potentialpotential ofof hepatocellularhepatocellular carcinomacarcinoma byby modulatingmodulating N6N6-methyladenosine-dependent-methyladenosine-dependent6565(2):529-543.primaryprimaryMicroRNAMicroRNAprocessingprocessing.Hepatology2017,23.Zhang C,Samanta D,Lu H,Bu
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