陳建軍／楊建華／何川／黃剛揭示RNAm6A由組蛋白修飾決定

　　近年來，RNA表觀遺傳學的研究發現RNA甲基化修飾，特別是m6A甲基化修飾，在哺乳動物的轉錄組中廣泛存在，并且在多種生理和病理過程中發揮著重要的生物學功能，引領了RNA以及表觀遺傳學領域的又一個熱潮。高通量測序揭示在人和小鼠的轉錄組中有1/3-1/2的mRNA轉錄本具有m6A修飾【1，2】。理論上每一個m6A的保守元件RRACH（R代表G或A，H代表A,C或U）都可以被m6A的甲基轉移酶復合物（MTC，m6A methyltransferase complex，由METTL3和METTL14兩個核心組分形成的二聚體， 加上WTAP作為該二聚體的co-factor）識別，并對其中的A進行甲基化修飾，但是在體內并不是每一處RRACH都具有甲基化修飾。

　　究竟是什么樣的機制選擇決定了體內特異位點的m6A甲基化修飾？為什么m6A甲基化修飾更傾向于發生在mRNA的CDS和3’UTR，特別是聚集在終止密碼子附近？

　　另外，雖然有些證據提示m6A甲基化修飾很可能是共轉錄(co-transcriptionally)發生的，但相關分子機制很不清楚。這些問題在RNA表觀遺傳學領域一直備受關注并亟待解決。

　　2019年3月14日，美國希望之城國家醫療中心（City of Hope National Medical Center）貝克曼研究所 (Beckman Research Institute) 的陳建軍教授研究團隊聯合中山大學楊建華教授團隊、芝加哥大學何川教授團隊以及辛辛那提兒童醫院黃剛教授團隊在Nature雜志發表了題為Histone H3 trimethylation at lysine 36 guides m6A RNA modification co-transcriptionally的論文，報道了組蛋白H3上的36位賴氨酸三甲基化修飾（H3K36me3）可以被METTL14識別，從而在轉錄過程中動態并特異地介導了m6A甲基化修飾的發生。

　　該研究通過分析全基因組組蛋白修飾圖譜和轉錄組m6A圖譜，發現m6A甲基化修飾大量富集在H3K36me3信號峰附近，而且這兩種修飾都同樣富集于基因的CDS和3’UTR區域，暗示它們之間可能存在某種聯系。

　　當通過敲低組蛋白甲基轉移酶SETD2或過表達組蛋白去甲基化酶KDM4A以降低胞內H3K36me3修飾時，m6A RNA甲基化修飾也發生顯著下降，表明組蛋白H3K36me3修飾可調控m6A RNA修飾。

　　研究者采用表觀遺傳編輯的技術(將組蛋白甲基轉移酶或去甲基化酶與核酸酶失活的“dead”Cas9 （dCas9）融合，在sgRNA引導下對特異染色質位點進行修飾)進一步證實了這種因果關系。利用dCas9-KDM4A融合蛋白去除MYC基因 3’端的H3K36me3修飾，能夠顯著降低該區域的m6A修飾；相反，利用dCas-SETD2融合蛋白在原本沒有H3K36me3修飾的GNG4基因的5’端引入H3K36me3修飾，能夠顯著提高該區域的m6A修飾水平。

　　研究者進一步通過大量的ChIP-seq和m6A-seq發現，當敲低SETD2使基因組中的H3K36me3降低時，轉錄組中的m6A修飾也發生全局性去甲基化。這些m6A去甲基化位點主要富集在CDS和3’UTR區域，并且與METTL3和METTL14介導的m6A甲基化修飾位點高度重疊。同時，通過對METTL14的ChIP–seq分析，研究者發現METTL14主要結合在gene body區，并與H3K36me3有很強的相關性，這說明確實是METL14將 H3K36m3與m6A聯系起來。

　　進一步的機制研究顯示， METTL14能夠充當H3K36me3閱讀器直接識別H3K36me3修飾。結合到H3K36me3上的METTL14，同時與RNA聚合酶II（POL II）結合，從而使MTC復合物在轉錄延伸過程中介導新生RNA鏈上的m6A甲基化。

　　那么，組蛋白H3K36me3修飾調控RNA m6A修飾的生理意義是什么呢？

　　m6A的動態調控在胚胎干細胞的自我更新和分化中發揮了重要功能。研究者以胚胎干細胞為模型，發現誘導敲低小鼠胚胎干細胞中的SETD2，可引起基因組H3K36me3和轉錄組m6A修飾同時顯著降低。去甲基化主要發生在干性相關基因上，比如Oct4、Nanog、Sox2和Klf4，從而導致這些干性基因的表達增強并抑制小鼠胚胎干細胞的體外分化進程。說明這一機制在小鼠的胚胎干細胞分化過程中具有重要意義。

　　該研究首次從全基因組和轉錄組角度揭示了m6A 對RNA以及修飾位點集中在stop codons附近的選擇決定機制，闡明了組蛋白H3K36me3修飾通過招募METTL14，介導MTC對新生RNA m6A修飾的工作模型（下圖），證實了表觀遺傳組與表觀轉錄組之間存在密切關聯，為表觀遺傳領域的研究開辟了新的方向。

　　同時，我們也注意到，關于m6A在stop codons富集的機制，Richard I. Gregory教授等（Nature, 2018）給出了另一種可能的原因。他們發現METTL3與eIF3h結合，通過促進mRNA的環化調節蛋白翻譯效率，而METTL3結合在mRNA的位置，正好是3’UTR靠近stop codons的地方。因此，METTL3很可能在促進翻譯的同時促進了該位點的m6A修飾【3】。

　　有趣的是，轉錄過程發生在細胞核中，而翻譯發生在細胞質中，這兩項研究似乎可以通過空間的隔離達成和解：在細胞核中，METTL14結合H3K36me3，介導新生RNA的m6A修飾；在細胞質中，METTL3結合eIF3h，介導正在翻譯的mRNA的m6A修飾。

　　事實上，m6A去甲基化酶FTO就是一個核質穿梭的蛋白。何川教授等人（Molecular Cell,2018）發現FTO在不同細胞中的核質分布比例不同，而不同的定位又會造成FTO具有不同的功能【4】。

　　那么，MTC復合體在不同體系中的核質分布是否不同？MTC的不同分布對m6A的影響是什么？MTC的亞細胞定位是由什么機制決定的？有待進一步研究。

　　此外，值得一提的是，Tony Kouzarides教授等人(Nature, 2017)發現METTL3和METTL14主要結合在白血病細胞基因組的啟動子區，并與組蛋白H3K4me3修飾相關【5】，這似乎和METTL14結合富集在3’UTR和CDS區的H3K36me3修飾矛盾。進一步分析METTL14在不同體系中與DNA和組蛋白修飾的互作情況，將有可能給出合理的解釋。

　　最后，類似組蛋白，RNA上也具有豐富的不同種類的修飾，同一RNA分子是否受多種不同修飾的影響？這些修飾之間是否存在cross talk？RNA修飾間的cross talk是否影響m6A的選擇性？中科院上海生化所的陳玲玲教授等人（Molecular Cell，2018）發現RNA m6A抑制RNA A-to-I編輯【6】，說明不同RNA修飾間確實存在cross talk，但目前對促進m6A的其他RNA修飾，還未見有報道。

　　RNA m6A修飾是一個非常富有朝氣和活力的研究領域，期待未來更多的研究為我們全面的揭示m6A的加工，選擇和功能！

　　據悉，陳建軍教授研究組的助理研究教授黃慧琳、翁桁游，楊建華教授研究組的博士生周克任以及何川教授研究組的博士生吳桐和趙伯譞為本文的共同第一作者，陳建軍教授、楊建華教授、何川教授和黃剛教授為本文的共同通訊作者。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-019-1016-7