【表观转录组】解锁m6A新功能 —— m6A修饰在基因转录调控和异染色质形成中的作用

RNA m6A甲基化是目前研究最深入的一种转录后修饰类型，已有的研究已经证明m6A甲基化修饰在绝大部分真核生物中主要通过维持mRNA稳定性、前体剪切、多腺苷酸化、出核转运与翻译起始等方式参与其表达。经历了表观转录组的研究浪潮之后，未来m6A的方向创新在哪里？近期，在Molecular Cell （IF=19.3287）发表了一篇关于m6A修饰的综述文章，该篇文章从其他视角解析了m6A甲基化修饰的分子机制调控，阐述m6A在调节染色质状态和基因表达中的作用。作为发生在RNA分子上的化学修饰，如何间接影响DNA、染色质层面的转录调控？本期公众号结合该综述，给广大研究者解析，m6A与染色质开放性、染色质聚集等的重要关系，拓展实验思路，提供新的科研机制方向。

发表杂志：Molecular Cell

影响因子：19.3287

发表时间：2023年2月2日

文章题目：RNA m6A methylation across the transcriptome

基因表达水平和染色质结构息息相关，组蛋白上的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等都会影响组蛋白的结构改变，从而影响基因的转录活性，最直接的证据就是在多种癌症等疾病当中，都会伴随大范围的组蛋白修饰丰度的改变，组蛋白赖氨酸的甲基化修饰是近期研究的热点，组蛋白甲基转移酶也被视为新的疾病治疗靶点之一。RNA m6A修饰是近期火热的表观转录修饰研究内容之一，在各种疾病背景下都有大量围绕m6A调控mRNA稳定性、翻译效率、出核等方面的机制研究成果产生。RNA m6A修饰同其他表观转录修饰类型相同，writer、eraser、reader蛋白在RNA分子转录之后进行催化调控；而染色质结构改变调控基因表达水平改变更多的发生在转录过程前，那么这两个生物过程是如何联系起来的？在这两个时空交错的过程中，最重要的原因是由于一类特殊非编码RNA分子的存在，如熟知的XIST，这一类分子可以通过结合功能蛋白调控染色质的结构，当这类分子同时发生m6A修饰时，可以引入m6A阅读蛋白，利用reader蛋白能募集其他重要酶的特性，连接异染色质结构和RNA甲基化两个生物学过程，实现两个研究热点的碰撞。

RNA m6A甲基转移酶及其RNA靶点

METTL3/METTL14甲基化writer蛋白不可或缺，它们催化RNA分子发生甲基化修饰是整个调控过程的前提，也是RNA甲基化研究的最常见重要调控蛋白；YTHDC1，重要的核m6A阅读蛋白（阅读蛋白家族中的重要成员），在调控m6A修饰过程中起到“桥梁”作用，通常在细胞核内起到识别、结合m6A修饰的重要作用；组蛋白甲基转移酶（Histone Methyltransferase，例如SETDB1），顾名思义，这一类蛋白可以催化染色质上的组蛋白发生甲基化事件。组蛋白赖氨酸的甲基化状态可以比喻成基因转录的开关，即甲基化对应“关”，基因表达被抑制活性低；去甲基化对应“开”，基因表达被激活活性高。另外一类能够调控染色质状态的非编码分子，统称为caRNAs（chromatin associated RNAs，例如XIST），可以调控染色质状态和转录动力学过程。Reader、Writer、Histon Methyltransferase、caRNA四个分子功能组成该m6A介导的影响异染色质形成从而改变基因转录活性的生物体系。

XIST发生m6A修饰之后，阅读蛋白YTHDC1识别并与之结合，并促进XIST介导的X染色体的转录沉默。实验结果证明，阻止METTL3催化的XIST发生m6A修饰时，YTHDC1和XIST不会发生正确结合，此时能成功逆转X染色体的相关转录被抑制，证明m6A修饰的富集作用在该生物过程当中的重要性。

在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中，内源性逆转录组病毒元件（EREs）来源的转录本5'UTR区域发生RNA m6A修饰后，募集YTHDC1和组蛋白甲基转移酶复合物形成异染色质，抑制重复元件的转录活性。在METTL3或者METTL14缺失的情况下，EREs成员IAP（intracisternal A participle）在转录本和蛋白水平均有上升，证明m6A修饰的重要调控作用。

一项相关研究显示，METTL3可以结合到重复元件对应的基因组位置上，介导新生转录本（nascent transcript）的甲基化，甲基化修饰的转录本被YTHDC1识别并结合，其中METTL3和YTHDC1都是IAP基因组位置处异染色质结构生成的重要蛋白。YTHDC1募集SETDB1(H3K9甲基转移酶) 通过蛋白蛋白相互结合的方式催化H3K9三甲基化从而抑制表达。还有其他研究的结论是一致的，包括MSRs (satellite repeat) 和LINE（long interspersed nuclear elements）相关的m6A修饰功能都证明对于小鼠异染色质具有重要的调控作用。

重复序列RNAs的m6A修饰调控主要是通过募集细胞质中的YTHDF家族的m6A阅读影响IAP RNA稳定性，包括LINE1 RNAs在内的染色质相关调控RNA都受到METTL3、FTO以及核阅读蛋白YTHDC1的调控。理论上直接调控（异染色质水平m6A抑制重复原件表达）和间接调控（影响重复元件来源的RNA转录本稳定性）都能够对mESCs重复元件转录活性产生影响。这种不同的实验结论有可能和实验样品的取材、分析时间以及操作方法不同相关。单独基因敲除METTL3证明METTL3对IAP重复元件的调控作用，是直接影响；如果同时快速降解METTL3和METTL14则是影响重复元件来源的RNA转录本稳定性，即间接影响。

在HEK293T细胞中导入野生型或者METTL3突变甲基化功能域时，野生型细胞中H3K9me2的修饰水平低于突变型体系，原因是转录抑制性因子H3K9me2主要通过YTHDC1募集KDM3B（组蛋白去甲基化酶）到染色体从而维持一个去甲基化状态，如果m6A水平降低，该募集效果下降，H3K9me2甲基化水平升高，从而受到调控影响。

比如，小鼠神经干细胞中敲除Mettl14导致广泛的组蛋白修饰水平改变，并伴随基因表达的改变。没有Mettl14的情况，细胞组蛋白H3K27乙酰化水平会明显升高，这是由于H3K27乙酰转移酶CBP和p300的转录本稳定性显著升高，意味着Mettl14的缺失可以通过m6A间接降低组蛋白调控因子转录本的稳定性，从而影响组蛋白修饰和基因表达。另外一个来自上皮细胞研究的例子也说明，当失去METTl3时会增加染色体调节酶的转录本稳定性影响相关酶的表达丰度，从而导致广泛的基因表达异常。

m6A修饰广泛的存在于编码和非编码分子上，目前有关于m6A在非编码分子上的重要作用仍是当下研究的热点问题。围绕本篇文章的内容，有几个问题值得思考：

2. 募集过程如何产生？m6A与YTHDC1如何发生结合？YTHDC1如何寻找并与其他组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基酶发生蛋白相互作用而改变异染色质状态？如何设计小分子化合物作为阻断或者促进生物过程将会是重要的研究课题。