RNA甲基化修饰——m6A概念BD

1、RNA甲基化修饰（1）m6A概念|重磅前沿已知RNA存在超过100种修饰。在真核生物中,5端的Cap以及3的ployA修饰在转录调控中起到了十分重要的作用，而mRNA的内部修饰则用于维持mRNA的稳定性。mRNA最常见的内部修饰包括N6-腺苷酸甲基化（m6A）、N1-腺苷酸甲基化（m1A）、胞嘧啶羟基化（m5C）等。对于大热的m6A，截至2017年，全球的科学家已经鉴定了参与m6A的许多酶，包括去甲基化酶、甲基化酶和甲基化识别酶等。芝加哥大学的何川教授对此贡献巨大。来自中科院北京基因组研究所的杨运桂研究员也是这方面的大牛。旦参与m6A修饰的酶出现异常将会引起一系列疾病，包括肿瘤、神经性疾病、胚

2、胎发育迟缓等。此外，-些非编码RNA如lncRNA、tRNA、rRNA以及剪切体RNA在转录前后，也存在大量的碱基修饰活动。虽然近几年，关于RNA修饰的研究数量开始增多并慢慢成形，一些深入性的机制研究仍有大量的工作待全球的科学家去完成。但是无论如何，codingRNAs和non-codingRNAs上发生的动态修饰代表了一种全新的遗传信息调控方式。早在上世纪60年代,除了传统的ACGU四种碱基外,Cohn等人已经在RNA上发现了大量的碱基位点修饰。Holley等人于1965年，首次在酵母的tRNA中鉴定了包括假尿苷（pseudouridine）在内的十余种不同的RNA修饰。已知绝大部分真核生物

3、中，mRNA在5Cap处存在甲基化修饰，作用包括维持mRNA稳定性、mRNA前体剪切、多腺苷酸化、mRNA运输与翻译起始等。而3polyA发生的修饰有助于出核转运、翻译起始以及与polyA结合蛋白一起维持mRNA的结构稳定。图1真核生物mRNA上存在的各种碱基修饰行为，在5和3的UTR以及中间的codingregion都有碱基发生修饰。Roundtreeetal(2017)Cell,16915:1187-1200但是这些修饰只发生mRNA的头部和尾部，关于RNA的内部修饰(internalmodification)在许多种类的RNA中都有发生。无论是mRNA还是lncRNA，都大量存在m6A修

4、饰。m6A能够加速mRNA前体的加工时间，加快mRNA在细胞中的转运速度和出核速度。除了m6A，RNA上还存在以下常见的几种修饰，包括m1A，m5C等(图1)。已知tRNA上发生碱基修饰的比例较高，会有各种各样的碱基修饰行为。tRNA修饰有助于提高翻译效率，维持其三叶草折叠二级结构的稳定性。人类的核糖体RNA(rRNA)上有超过200个碱基修饰位点，而剪切体RNA(spliceosomalRNA)上也有超过50个碱基修饰位点。虽然RNA甲基化的研究在上世纪七十年代就开始，但是由于技术上的局限一直停滞不前。直到最近几年在何川教授等研究团队的带领下，通过不断的技术创新和难点攻克，m6A等甲基化修饰

5、的研究才不断取得突破性的进展。随着分析化学工具的升级以及高通量测序技术的兴起，研究RNA修饰的方法变得越来越便捷。强大的工具是研究工作的前提保证。伴随NGS的发展，表观转录组学诞生了，其中大热的主角就是腺苷酸甲基化，包括m6A和m1A等。那么下面我们就要来讲一讲这期的主角m6A。cHHNNNHONbco0OH图2N6-甲基化腺苷酸结构示意图Roundtreeetal（2017）Cell,16915:1187-1200我们先来了解下什么叫m6A修饰。从图2中我们可以看到，这是一个已经发生甲基化的核糖核苷酸，确切地说叫N6-methyladenosine。一共分为2个大的结构。我们先来回顾下基础生

6、物化学知识。左下角的是五碳糖，图2中a框部分也就是五碳糖的第二位C处的羟基发生脱氧就会变成脱氧核糖核苷酸（从RNA变成DNA）。图2中c框部分标注的，也就是第四位的C处通常会带有磷酸基，如果此处带有2个磷酸基团那么就叫ADP，如果带有3个磷酸基团那就是大名鼎鼎的ATP了。图2中b框部分通常就是我们所说的含氮碱基。这里特指腺苷酸（A）,当腺苷酸的第六位N处发生甲基化时，就是我们所说的m6A。MEnL14AKIAA1429AIKMethylationDemethylation(METTL3IwETTLKVTTAP图3(左)腺苷酸甲基化和去甲基化的过程(Roundtreeetal(2017)Cell

7、,169:1187)；(右)m6A甲基化酶consensusmotif(Fu,Yetal(2014)NatureReviewsGenetics,15(5):293)从图3左中我们可以看到，当从DNA-RNA过程中，腺苷酸在甲基化酶METTL3、METTL14和WTAP等作用下在第六位N发生了甲基化修饰。这类酶我们称之为Writers，其中METTL3和METTL14形成杂络物(heterocomplex)，与WTAP(也叫做Fl(2)d)及其他factors如KIAA1429(也叫做Virilizer)起对腺苷酸进行修饰。另外Writers酶还包括酿酒酵母中的Ime4等。接下来这些已经发生m6

8、A修饰的碱基，在FTO和ALKBH这两种酶的作用下发生去甲基化，这类酶我们称之为Erasers。其中FTO就是臭名昭著的Fatmassandobesity-associatedprotein，其详细的分子机制在2007年的小鼠模型上做过比较系统的研究。该酶与ALKBH5-起，使得RNA甲基化成为一种可逆的反应。最后这些发生甲基化修饰的RNA碱基位点，需要特定的酶来识别。这时候就需要咱们的Readers登场了。已知YTHDF家族包括YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3以及酿酒酵母中的Mrb1基因、粟酒裂殖酵母中的Mmi1基因都是readers类蛋白。这些酶能够识别发生m6A甲基化的碱基，参与

9、下游翻译、mRNA降解、加快mRNA出核速度等作用。如图4C中所示,YTHDF2参与mRNA降解过程。图4m6A分子途径和细胞功能(MihyeLeeetal(2014)Cell,158:980)好了，让我们再来系统地回顾一下，参加m6A甲基化的酶到底有哪几类。从图4B中，我们可以看到RNA的m6A甲基化一共有大三类酶参与：Writers、Erasers和Readers，具体信息如下表所示。基困功能WritersMETTLMETTL14,WTA巳KIAA14&2METTL3和危TTL佔形成探络物在怵内和加化RNA发生m朋甲基比修讯而WTAP(冋H、和KIM1492(Vir)以及其他Motors也

10、杂络物的重要组成部企这些Writers都有consensusmotiT(图3右jEr$ers；FTO.ALKBH5以及其他homolog血去甲基化前介导去甲基化憾饰YTHDFLYTHDFZ.YTHDF3以及其他ncrTiologles识RNA审基佃劉轴能怠并薜与下游RNA前翻漱隆解等过程.送些YTHDF家蹈勺蛋白普遍都含有YTHdomain(S-1B)参考文献Fu,Y.,Dan,D.,Rechavi,G.,&He,C*.Geneexpressionregulationmediatedthroughreversiblem6ARNAmethylation.NatureReviewsGenetics

11、15.5(2014):293-306.Roundtree,I.A.,Evans,M.E.,Pan,T.,&He,C*.DynamicRNAModificationsinGeneExpressionRegulation.Cell169.7(2017):1187.Cantara,WilliamA.,etal.TheRNAmodificationdatabase,RNAMDB:2011update.NucleicAcidsResearch39.Databaseissue(2011):D195.Lee,M.,B.Kim,&A.V.N.Kim*.Review:EmergingRolesofRNAModi

12、fication:m6AandU-Tail.Cell158.5(2014):980.Cohn,W.E*.Pseudouridine,acarbon-carbonlinkedribonucleosideinribonucleicacids:isolation,structure,andchemicalcharacteristics.JournalofBiologicalChemistry235.235(1960):1488.Holley,R.W.,Everett,G.A.,Madison,J.T.,&Zamir,A*.NUCLEOTIDESEQUENCESINTHEYEASTALANINETRANSFERRIBONUCLEICACID.JournalofBiologicalChemistry240(1965):2122.Alarcon,C.R.,etalHNRNP