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做个甲基化也能发大文章?不信,你看

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做个甲基化也能发大文章?不信,你看

发布日期:2018-07-19 作者: 点击:

       表观遗传学发展如火如荼的今天,单纯的通过研究DNA的甲基化、组蛋白修饰等已经很难在一个高水平的杂志上发表,而在染色质结构与功能分析、核小体定位、染色质重塑、组蛋自修饰、DNA甲基化、RNA可变剪接的表观遗传学机制、非编码RNA研究进展、假基因研究进展等领域之外,RNA甲基化的研究异军突起,相继在Nature、Cell等杂志发表相关研究,成为表观遗传研究领域新宠,为表观遗传的研究增添新一有力工具。

     提到甲基化,DNA的甲基化早已不再是什么新鲜名词,那什么是RNA甲基化呢?RNA不仅作为信号分子参与蛋白质的合成,而且在生命活动中发挥着重要的调控作用。而在RNA发挥其功能的过程中,其本身也存在这诸多的修饰,有研究表明其修饰类型共有112种之多,这也为他的功能多样性提供了生化基础。在诸多的修饰中,75%作用的修饰是甲基化修饰,可见甲基化是一种极其重要的RNA修饰。其中, m6A(N6-methyladenosine,6-甲基腺嘌呤)较为普遍。

       什么是m6A呢?如下图所示:

基因表达定量

       简单的说,就是核糖核苷酸的腺苷酸(A)的第六位N发生了甲基化(图中b框所显示)。在随后的研究中,人们发现RNA的m6A甲基化一共有三类酶参与:分别为Writers(甲基化酶)、Erasers(去甲基化酶)和Readers(甲基化识别酶),分别有其相关的代表酶,功能如下图所示:

基因表达调控

       DNA的甲基化对于基因的表达具有重要的调控作用,那RNA甲基化存在的意义呢?通过研究人们发现RNA的甲基化在整个生命过程中同样承担着重要的作用。例如在转录后调控RNA的稳定以及RNA的加工、定位以及翻译。如果其调控机制异常,则会诱发一些疾病的发生,人们就发现m6A在精子的形成及发育过程中发挥重要作用。在一些肿瘤的发病机理研究中,人们也发现m6A的异常。


       在表观遗传研究中,DNA的甲基化测序,ChIP-seqATAC-seq都为我们研究表观的变化提供了有效的途径,那么如何研究RNA甲基化呢?现被广泛应用的方法是MeRIP-seq。该方法的原理与ChIP-seq有着相似的地方,即利用免疫共沉淀的方法即抗m6A碱基的抗体与被随机打断的RNA片段进行孵育,抓取有m6A修饰的片端进行测序,当然也需要平行测序一个对照样本以消除背景。随后对测序结果进行分析判读。

随着人们对RNA甲基化的越发重视,相关的研究报道也如雨后春笋涌现出来。2014年发表于RNA Biology的一篇关于水稻的RNA甲基化研究文章《Transcriptome-wide N6-methyladenosine profiling of rice callus and leaf reveals the presence of tissue-specific competitors involved in selective mRNA modification》为我们研究植物RNA甲基化提供了很好的思路。

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       首先作者对于水稻叶片和愈伤组织的整个转录组的情况和RNA甲基化情况分别经过RNA-seq和MeRIP-seq进行了对比,结果如Table1;

基因表达定量

       随后作者对于m6A在整个水稻的mRNA上的分布进行了分析,分布特征如下图:

基因表达调控

       结果显示其主要分布在CDS和3,UTR区域,且在5,UTR 、CDS和3,UTR区分布的比较均匀,只有在转录起始位点和终止位点有着剧烈的变化。无论是叶片还是愈伤组织其m6A的分布以及变化与小鼠分布特征都十分相似。

       作者对m6A在水稻染色体上的分布也进行了研究,结果如下图:

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       作者发现peak在染色体上倾向于两端的端粒区,着丝粒去则密度较低。而且同一样品不同染色体上的分布密度也不尽相同,作者推测,m6A peak在整个基因组上的分布可能与染色质的状态和构象密切相关。

       紧接着作者对m6A peak与基因特征、基因表达进行了分析。结果如下图:

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       有趣的是结果显示m6A peak在单个基因上的分布不尽相同且不同组织间差异也较大。叶片组织中peak的聚集方式比较均匀,而愈伤组织中变化较大,单peak的基因占了一半以上。作者认为这种现象的产生是因为不同基因的基因结构不同所导致的。作者有对m6A peak的富集与基因的特征长度,包括CDS、5,UTR 、3,UTR等进行分析,发现m6A peak的富集与基因的长度呈现微弱的正相关。对比mRNA与m6A peak,发现两者呈现负相关性。

       

       在研究中,作者发现并不是所有基因的表达都会发生m6A的甲基化,因此,在两个不同的样品中,作者发现了SMG(selectively methylated gene)的存在。作者对CM (commonly methylated genes) 、CS (selectively methylated genes in callus)和 LS(selectively methylated genes in leaf)进行了GO分析,(结果如下图:)结果表明,共同甲基化的基因主要功能在于RNA的结合、基因的表达,而愈伤组织SMG的功能在于转录活性、转录调控,叶片组织中的SMG主要在于光合作用等。结果表明,m6A 修饰的基因参与了多种那个组织的发育或者细胞信号的过程,SMG基因也多是差异表达基因,功能与其特征相关。

基因表达调控

       总的来说,本篇作者通过MeRIP-seq的方法,对于水稻RNA的m6A甲基化水平进行了研究,探究了其分布特点,并在过程中对SMG进行了探究,对其在生命活动中的功能进行了初步的阐释,为RNA的甲基化研究提供了思路,从更加全面的角度对表观遗传进行了补充。


       在DNA甲基化研究越加成熟的今天,从RNA甲基化的层面对于表观遗传进行解读,一方面丰富了表观遗传的内容,另一方面更加全面的对生命活动的调控进行了研究。在当今RNA甲基化研究尚浅的情况下,对于RNA甲基化的研究愈发重要,其成果也就越发有着吸引力,是今后一段时间内的表观遗传的新颖方向,值得去探究。

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关键词:表观组学技术服务,基因表达调控,基因表达定量

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