北京基因組所揭示共轉錄m6A修飾建立機制及功能

4月2日，中國科學院北京基因組研究所（國家生物信息中心）任捷團隊和楊運桂團隊，在《分子細胞》（Molecular Cell）上在線發表了題為DDX21 mediates co-transcriptional RNA m⁶A modification to promote transcription termination and genome stability的研究論文。該研究揭示了三鏈核酸結構R-loop、解旋酶DDX21與m⁶A甲基轉移酶METTL3之間的協同機制，以及促進轉錄終止、維持基因組穩定性的功能。

在基因轉錄過程中，新生成的RNA可以和模板DNA互補，在染色質上形成由DNA:RNA雜合鏈和單鏈DNA組成的三鏈結構。這種核酸結構被稱為R-loop。它的穩態失衡是多種疾病的病理基礎。而N6-甲基腺嘌呤（m⁶A）是對mRNA生命周期進行調控的重要修飾，參與細胞分化與個體發育、應對環境壓力、免疫系統功能、腫瘤發生與發展以及病毒感染等生命過程。約半數m⁶A在新生RNA上隨轉錄生成，但決定共轉錄修飾的發生以及這些修飾的功能尚不清楚。

該團隊通過分析m⁶A甲基轉移酶復合物的三種關鍵組分免疫共沉淀的蛋白質組分，鑒定出DEAD-box解旋酶DDX21作為m⁶A甲基轉移酶復合物的新型互作因子。進一步，該團隊開發并應用針對新生RNA的光激活核糖核苷增強交聯免疫沉淀高通量測序，結合基于單鏈DNA建庫的DNA:RNA雜合鏈免疫共沉淀高通量測序分析，發現R-loop、DDX21和METTL3在基因組上具有顯著的共定位。當R-loop或DDX21缺失時，METTL3在染色質上的定位降低，導致染色質相關RNA（caRNA）上m⁶A水平下降，尤其是在轉錄終止位置。研究顯示，DDX21對m⁶A修飾的促進作用依賴于其解旋酶活性。

該研究通過繪制RNA聚合酶轉錄位點的高分辨率圖譜，揭示了DDX21與METTL3協同作用。研究顯示，通過調控m⁶A共轉錄形成，借助其“閱讀器”蛋白YTHDC1，共同在促進XRN2介導的轉錄終止過程中發揮作用。這一過程對于維持基因組的穩定性至關重要。阻斷復制過程或者采用CRISPR靶向策略精確抑制轉錄，可以緩解轉錄通讀區域的基因組不穩定性。

前期工作發現m⁶A調控R-loop穩態的機制，而該研究提出了R-loop-DDX21-METTL3介導的m⁶A共轉錄修飾的新機制，闡明了新生RNA如何通過m⁶A修飾保證基因組功能和結構穩定性。通過協調一系列的分子招募和酶活性，該研究架起了聯接表觀轉錄組、協調轉錄終止以及維持基因組穩定性之間的橋梁。探討R-loop-DDX21-METTL3-m⁶A調控軸的核心結構域和關鍵酶活性，將有助于發掘出能夠調節m⁶A表觀轉錄組的新靶點。

研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金等的支持。

論文鏈接