首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
生物学论文 >
遗传学论文 >
基于生物学功能调控作用进行RNAm6A甲基化修饰分析的前沿动态
摘要：目前发现的RNA表观遗传修饰存在多种方式，如N6-甲基腺嘌呤、N1-甲基腺嘌呤、5-甲基胞嘧啶(5-methylcytidine,m5C)和假尿嘧啶核苷等。m6A是最常见的一种修饰，它是由甲基转移酶和去甲基化酶以及结合蛋白所催化的一种动态可逆的修饰方式，具有重要的调控功能，参与多种细胞进程和疾病的病理过程。最近5年，随着RNA检测技术的发展，m6A修饰的生物学功能探索已成为RNA领域的前沿热点，该文拟对m6A甲基化修饰的相关蛋白、生物学功能等方面进行简要概述。
加入收藏
RNA表观遗传修饰;m6A;m6A酶系统;生物学功能;
1、m6A概述
RNA表观遗传修饰是RNA层面调控基因表达的重要方式，表观遗传的可逆性可能为疾病的早期干预提供科学基础。目前已鉴定出170余种RNA修饰。RNA修饰可改变RNA碱基电荷和碱基配对特性，导致RNA折叠变化，也可形成识别元件，嵌入转录序列，调节蛋白质-RNA相互作用[1]。近年来的研究认为，RNA修饰不只发生在含量丰富的RNA，如核糖体RNA和转运RNA，也同样发生在低丰度的RNA，如信使RNA和非编码RNA [2]。其中，mRNA的常见修饰包括N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)、N1-甲基腺嘌呤、5-甲基胞嘧啶和假尿嘧啶核苷等[3]。这些修饰发生后嵌入RNA转录本，其信息附加在碱基序列中。m6A是针对腺苷酸N6位点的甲基化修饰，其酶系统包括甲基转移酶、脱甲基酶等，这些结构共同参与调控RNA代谢，包括翻译、剪接、降解等，从而调控多种细胞进程，包括自我修复、分化、侵袭和凋亡[4]。
m6A表达水平的改变参与多种疾病的病理过程。随着二代测序技术的发展，m6A的结构和功能也渐渐被深入了解。m6A-seq，也叫做MeRIP-seq，是使用m6A特异性抗体免疫沉淀RNA碎片，随后进行测序。在编码和非编码RNA中，已发现超过1.2万个高度保守的m6A甲基化峰(peaks)。测序分析显示m6A修饰一般发生于共同基序RRACH(R=G/A;H=A/C/U)，在RRACH基序中，m6A常发生在编码区和3′端非翻译区(3′-untranslatedregions,3′-UTRs)，尤其在终止密码子附近多见[5]。MiCLIP-seq，即m6A单核苷酸分辨率交联和免疫沉淀法结合深度测序。MiCLIP-seq的大概原理是通过254nm紫外照射交联RNA中的m6A抗体和m6A标记，然后通过检测m6A基团的特异性突变特征分辨出单核苷酸[6]。MiCLIP-seq显示m6A常分布在CDS和3′UTRs的DRACH(D=A/G/U)基序。与MeRIP-seq相比，miCLIP-seq要求样本的mRNA量较大，可能给一些研究带来难度和限制。
2、m6A酶系统
目前发现的m6A酶系统主要有3类酶蛋白：负责催化m6A甲基化的writers、催化去甲基化的erasers和识别甲基化的readers[1]。m6A几乎参与了RNA代谢的所有进程，包括mRNA翻译、降解、剪接、出核和折叠，在细胞、发育和疾病进程中发挥作用[1](图1)。
2.1m6Awriters
m6A甲基化过程由甲基转移酶复合体介导。MTC包括多种酶蛋白：3、METTL14、METTL16、WTAP、RBM15、VIRMA和CBLL1(等[1]。METTL3是重要的催化亚基；METTL14本身无甲基化酶活性，主要作为METTL3酶活性的蛋白构象激活剂，帮助METTL3识别底物；METTL16参与催化m6A修饰；WTAP与METTL3直接结合，确保METTL3-METTL14异二聚体的定位，提高催化活性。除此类关键writer蛋白外，其他writers则大多通过细胞间信号相互作用与m6A复合体结合发挥作用，招募m6A复合体到达特定的RNA位点。总的来说，MTC根据胞外信号与组蛋白标记或转录因子相互作用，共转录调控m6A的动态作用[7]。关于m6A酶的作用、转录的详细过程和特殊定位仍然需要大量的研究。
图1m6A酶系统
2.2m6Aerasers
Erasers主要包括FTO和ALKBH5，均属于Fe2+/α-酮戊二酸依赖型双氧酶ALKB家族成员[2]。FTO基因的相关研究主要针对人类肥胖和代谢平衡，其作为去甲基化酶的机制仍未完全阐明。FTO和ALKBH5负责将细胞核中mRNA的m6A氧化去除，而FTO负责细胞质中mRNA的m6A氧化去除。不同的微环境诱因促使m6A的沉积和去除，使得m6A成为动态的过程，导致了条件特异性甲基化模式，一方面甲基化作用可作为识别元件(即readers)，另一方面又可作为空间屏障[8]。m6A的具体动态过程仍有争议，但是大致上是按照细胞种类特异性和发育特异性模式对微环境刺激作出应答。
2.3m6Areaders
目前发现，readers主要通过直接或间接结合RNA的方式发挥作用。直接RNA结合由readers的一个专门识别修饰的结构域介导，如YTH(YT521-Bhomology)家族蛋白，包括YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3、YTHDC1和YTHDC2，可在细胞核和细胞质中直接结合甲基化修饰的靶基因发挥作用。YTH蛋白有的含有低复杂度区域，可形成蛋白相位分离(phaseseparation)[9]，导致细胞质YTHDF-m6A-RNA聚合体变为P小体(processingbodies,P-bodies)。P小体是mRNA处理小体，是细胞质中含有多种功能蛋白和RNA的聚集体[10]。最近发现，有些m6Areaders不含有YTH结构域，只含有普通RNA结合域，如人胰岛素样生长因子2mRNA结合蛋白(IGF2mRNA-bindingproteins,IGF2BPs)、真核起始因子3(eukaryotictranslationinitiationfactor3,eIF3)。这两个readers的RNA结合过程与YTH蛋白不同，但如何精准地完成m6A相关过程尚未完全明确[11,12]。m6A具有在热力学上破坏短的双螺旋结构的能力，间接RNA结合依赖于甲基化诱导的RNA解螺旋，从而暴露隐藏的蛋白质结合基序，使蛋白质更易与RNA结合。
3、m6A的生物学功能
3.1生物发育
研究发现，m6A在性别决定、母源mRNA清除、精子发生、神经发育等功能中都发挥重要作用。在性别决定中，雌果蝇的mRNA可通过可变剪接产生功能性蛋白，writers负责通过在果蝇性别决定主导基因Sxl(Sexlethal)的前体mRNA(pre-mRNA)上增加m6A修饰，使得Sxl的mRNA被正常剪接，决定果蝇发育的性别。除了决定果蝇性别，Sxl的m6A修饰还是生殖干细胞开始分化所必需的[13]。在母源mRNA清除中，发现m6Areaders蛋白YTHDF2在斑马鱼胚胎早期调控母体-合子过渡期间的mRNA水平，从而调控斑马鱼子代发育过程[14]。在精子发生中，研究人员发现在早期生精细胞内敲除METTL3或METTL14，可导致精原干细胞丢失，接着通过一系列m6A相关实验说明，m6A参与调控小鼠精原干细胞命运决定和精子形成的相关基因转录后翻译效率[15]。在神经发育中，YTHDF2可促进mRNA降解，YTHDF2缺失在小鼠胚胎发育晚期有致死可能，且神经干细胞/祖细胞的自我更新和神经元生成在小鼠大脑皮层中受损严重，NSPCs的增殖和分化能力均降低，神经元无法产生正常的神经突触，这说明YTHDF2可能通过促进神经发育相关的mRNA的m6A依赖性降解来调节神经发育[16]。
3.2干细胞分化
在神经干细胞的研究中发现，mRNA和组蛋白修饰相互作用，调控NSCs自我更新和分化。在METTL3/METTL14基因敲除小鼠中，发现m6A可以促进NSCs增殖，延长放射状胶质细胞的细胞周期。这种调控可能促进阿尔茨海默症、帕金森症和认知相关神经系统疾病的干细胞治疗和基因靶向治疗的发展[17,18]。m6A修饰对造血干细胞的命运决定也有调控作用。HSCs具有长期自我更新的能力和分化成各类成熟血细胞的潜能，在成人造血功能中起到重要作用。研究人员通过m6A-seq证实m6A修饰与血液发育过程密切相关，随后在METTL3敲除的胚胎中发现，HSCs不能正常产生，血管的内皮特性却明显增强，说明内皮-造血转化过程被阻断[19]。此外，METTL3敲除还显著影响了动脉内皮发育相关基因notch1a的m6A和mRNA水平[6]。除了NSCs和HSCs，对于肿瘤干细胞，m6A也有其独到的调控作用。Zhang等[20]的研究表明，m6A去甲基化酶ALKBH5参与调控胶质母细胞瘤干细胞样细胞的自我更新。
3.3肿瘤发生和转移
由于类型和发病机制的复杂性，肿瘤自始至今都是各种研究的热点话题。时至今日，已有各种研究探究了m6A在各种肿瘤中的作用靶点和调控作用。m6A影响多种肿瘤增殖、分化、侵袭和转移，如FTO在急性髓细胞白血病和脑肿瘤中显示抗肿瘤作用[21];ALKBH5在乳腺癌中有促肿瘤发生作用[22];METTL3和METTL14在AML中可能通过调节髓系分化发挥促肿瘤作用[23];METTL3在促进肝癌和肺癌发生发展中发挥作用。其中，METTL14具有促进和抑制肿瘤发生的双重角色。
在有关m6A的研究中，也不乏有颇具争议的声音出现。有课题组报道，METTL3增强某些肿瘤基因的翻译效率并不需要依赖甲基化活性位点，也就是METTL3的调控作用可能与m6A修饰并无关系[22]，这与其他一些报道产生了分歧，但是具体分子机制仍需进一步研究。
3.4免疫炎症
免疫炎症在疾病中的作用涉及到多种多样机制，关于m6A和免疫炎症的关系研究不多。研究发现，树突状细胞表达趋化因子受体CCR7，通过抑制DC中一种新型长链非编码RNAlnc-Dpf3上的m6A修饰，上调lnc-Dpf3表达，负向调控DC迁移，抑制炎症性疾病的发生发展[24]。另有研究发现，m6A参与调控T细胞稳态，METTL3通过靶向IL-7/STAT5/SOCS信号轴来调控NaïveCD4T细胞分化，维持免疫平衡，调节肠炎的发生发展[25]。
3.5与非编码RNA的相互调控
m6A和非编码RNA之间的相互调控也是m6A的研究热点之一。研究最为广泛的ncRNA包括微小RNA、lncRNA和环状RNA，如METTL3通过调控pri-miRNA的识别发挥作用；lncRNAMALAT1茎环结构中的m6A修饰参与调控premRNA合成[26];lncRNAFOXM1-AS中的ALKBH5相关m6A修饰调控癌细胞增殖[20];m6A诱导lncRNARP11靶向结直肠癌细胞迁移[27];circRNA中的m6A修饰参与编码蛋白质[28]。
4、小结
根据目前研究，可以看出，RNAm6A甲基化修饰在各种生物学功能中都起到重要作用。m6A可在细胞层面影响多种生物学进程，进而参与多种疾病过程。除了本文提到的生物学作用，m6A还与DNA损伤修复、脂类代谢、热休克反应和昼夜节律等均有有证可循的联系；但是，其具体组成和各个成分的作用仍有很大争议，如在研究某一种m6A酶蛋白时是否应关注其他酶蛋白的表达水平变化，以挖掘它们之间的协同或拮抗作用关系；关于m6A的临床转化应如何实现，是否会带来系统性的副作用。诸如此类，还需要科学家们长期深入的探索。
姚牧笛,马严,蒋沁.RNAm~6A甲基化修饰对生物学功能调控作用的研究进展[J].生命科学,2020,32(04):373-377.
基金:国家自然科学基金项目(81570859,81870679).
分享：
p53基因被广泛认为是一种关键的肿瘤抑制因子，在保护细胞完整性免受各种形式的基因毒性压力方面具有关键功能，包括DNA损伤、致癌激活和端粒侵蚀，然而，p53的突变会导致其肿瘤抑制功能的丧失和致癌活动的表现，因此，突变的p53基因已成为癌细胞增殖、侵袭和扩散的强有力的致癌驱动因素，引起了许多研究的极大关注。
2025-08-05
地中海贫血(简称地贫)是一种常见的单基因常染色体隐性遗传病,是由于珠蛋白基因发生突变或缺失,致使珠蛋白链合成受抑制,使形成血红蛋白的α链与β､γ､δ链比例失衡,而导致的一组遗传性溶血性疾病｡地贫根据突变的珠蛋白肽链位置,可以分为α-地贫､β-地贫､δ-地贫､δβ-地贫等类型,在中国以α-地贫和β-地贫最为常见[1]｡
2025-03-26
骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是一种常见的退行性关节疾病,病理发展过程以膝关节软骨下骨和软骨的退行性改变为主,是导致膝关节运动功能障碍和慢性致残的主要疾病之一,也是中老年人的常见病和多发病,临床表现主要以膝关节疼痛､肿胀､畸形,以及功能活动受限等为主｡ 随着老龄化社会的到来,骨关节炎发病率不断上升,严重影响中老年患者的生活质量,同时也给患者家庭和社会带来巨大的经济负担｡
2025-03-21
地中海贫血（简称“地贫”）是由于珠蛋白肽链基因突变或缺失，使某种珠蛋白肽链合成障碍而导致的一组单基因遗传性慢性溶血性血红蛋白病。根据珠蛋白肽链合成障碍的不同，可将地贫分为α型、β型、δβ型和δ型4种，其中以α型和β型地贫较为常见。
2024-10-08
腺苷脱氨酶2(adenosine deaminase 2,ADA2)是一种二聚体分泌蛋白，主要由骨髓来源的髓样细胞合成并分泌到细胞外。ADA2除了参与机体嘌呤核苷酸代谢过程，还在促进血管内皮细胞生长、单核细胞增生并向抗炎M2型巨噬细胞分化以及调节中性粒细胞活性等过程中发挥着重要作用。
2024-04-28
先天性马蹄内翻足是小儿骨关节结构畸形中最常见的一种先天性足畸形，如果不及时治疗，将持续到成年期，导致行动不便和生活质量下降；其特征是后足内翻、前足内收、踝部马蹄和高弓足，较难矫正，发病率为1‰～4‰，男女比例为2.5∶1.0，双侧较单侧多发。目前，先天性马蹄内翻足的病因尚未明晰。
2024-04-11
染色体Xp22.33和Yp11.32短臂末端的拟常染色体异常是导致身材矮小的最常见原因之一。SHOX基因位于性染色体X和Y染色体短臂的末端(Xp22.33或Ypll.3)拟常染色体区域内，该基因是Rao等于1997年首次克隆并定位的，包含6个外显子，全长35Kb, 其中完全编码序列为879bp。
2024-03-29
智力障碍(intellectual disorder, ID)是儿童期常见的神经系统疾病，发病率为1%～3%。ID病因复杂，其中遗传因素约占其发病病因的50%。遗传因素主要包括染色体异常、拷贝数变异和单基因/多基因变异等。据报道，已有近2 000个基因与ID相关，但仍有50%左右的患者得不到明确诊断。
2024-03-28
由于染色体复制、分配时产生错误等原因，DNA从染色体中脱落下来，形成环状DNA,散落在细胞中，称为染色体外环状DNA(extrachromosomal circular DNA, eccDNA)。eccDNA参与先天免疫反应、肿瘤生长等诸多生理和病理过程，成为了疾病诊断、癌症治疗等领域的研究重点。
2023-09-15
多指(趾)畸形是一种常见的四肢畸形，单发最为常见，也可与并指(趾)和/或其它骨骼畸形同时存在，临床数据表明多指(趾)畸形患病特点是男性高于女性(5∶1)，右手高于左手(2∶1)[1]。多指(趾)畸形在临床上分类复杂，一些综合征型多指(趾)畸形与其他疾病难以辨别。一般在婴儿出生时便可观察到多指(趾)形态，但综合征型多指(趾)的其他症状只能在生长发育过程中慢慢体现出来。
2021-12-06我要评论
期刊名称：生命科学
期刊人气：1545
主管单位：中国科学院
主办单位：国家自然科学基金委员会生命科学部,中国科学院生命科学与生物技术局,中国科学院生命科学和医学学部,中国科学院上海生命科学研究院
出版地方：上海
专业分类：生物
国际刊号：1004-0374
国内刊号：31-1600/Q
邮发代号： 4-628
创刊时间：1988年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：1.343
影响因子：1.227
影响因子：1.286
影响因子：0.000
影响因子：1.349
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-05-29
1194
上传者：管理员
