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RNA表观遗传修饰:基因表达新开关

Feb 28, 2017 No Comments

基因表达新开关

 

研究表明,表观遗传标记也存在于RNA上。这一发现震惊了整个领域。

一些伟大的想法往往是不期而至的。2008年,芝加哥大学(University of Chicago)的化学家Chuan He为了寻求一个好的想法苦思冥想。当时,美国国家卫生研究院(NIH)刚开始资助高风险、高影响力的项目,He想申请这类基金。但他需要找一个好的想法。

He的主要研究领域是修复受损DNA的蛋白质家族,他怀疑这些酶可能也作用于RNA。机缘巧合之下,He遇到了分子生物学家Tao Pan。Pan一直在研究RNA上存在的特定化学标记——甲基化。他们在芝加哥大学(University of Chicago)的同一栋楼里工作,并开始定期开会。正是基于这些会议,他们的大想法逐渐成型。

当时,生物学家对表观基因组——一系列修饰DNA及其蛋白质支架的化学标记——越来越感兴趣。这些化学标记能告诉细胞,哪些基因需要表达,哪些基因保持沉默。因此,表观基因组有助于解释具有相同DNA的细胞如何分化成不同的特化类型,组成不同的组织和器官。例如,虽然这些化学标记帮助心脏中的细胞维持其细胞身份,但不会转变成神经元或脂肪细胞。而错误的表观遗传标记常见于癌细胞中。

当He和Pan刚开始合作时,大多数表观遗传学研究都集中在与DNA及包裹DNA的组蛋白的化学标签上。其实当时,科学家们已经在RNA上鉴定了超过100种不同类型的化学标记,而且学界对这些化学标记的作用一无所知。He正在研究的一些酶可以去除甲基化标记,而He和Pan想知道的是,这些酶是否也可以作用于RNA。如果RNA上的标记可以去除,那么RNA的化学修饰可能是一种全新的调控基因表达的方式。2009年,他们申请了基金,以研究RNA上可逆转的化学标记以及负责擦除这些标记的酶。

9年后,这样的研究导致了一个新的“组学”——表观转录组学的诞生。He等研究者已经证明,腺嘌呤——RNA的四种碱基中的一种的甲基化在细胞分化中起关键作用,并在癌症、肥胖等疾病中起到重要作用。2015年,He的团队和另外两个团队发现,DNA中的腺嘌呤上也存在甲基化标记(以前仅在胞嘧啶上发现甲基标记),这表明表观基因组甚至比以前想象的更丰富。现在表观转录组学发展迅速。纽约威尔康奈尔医学院(Weill Cornell Medical College)的遗传学家Christopher Mason认为,我们即将迎来表观基因组学和表观转录组学的黄金时代。我们现在才开始真正认识那些几十年前就被发现的修饰的作用。

 

信使RNA上的化学标记

分子生物学的核心规则——中心法则认为,信息从DNA流向信使RNA(messenger RNA, mRNA),最后翻译成蛋白质。因此,许多科学家认为mRNA只是一个快递员,把细胞核中编码的遗传信息传递到细胞质中的蛋白质工厂。这就是很少研究人员关注mRNA修饰的一个原因。

但mRNA上的化学修饰并不是秘密。启发He开始从事表观转录组学研究的标志性论文是1974年研究人员在mRNA上发现化学修饰(PMID: 4372599)。当时,密歇根州立大学(Michigan State University)的有机化学家Fritz Rottman试图研究RNA在调节基因表达上的作用,却偶然发现了腺嘌呤上的甲基修饰。被修饰的碱基是N6-甲基腺苷,通常缩写为m6A。

Rottman等人写道,RNA甲基化可能是一种选择翻译哪些转录物(即调控哪些蛋白合成)的方式。对此,该论文的共同作者、密歇根州立大学(Michigan State University)的遗传学家(Karen Friderici)表示,但这只是猜测。该团队没有合适的方法来研究这些标签的功能。那时候,分子生物学才刚开始,可用的工具很少。

三十多年后,H e和Pan也依然面临着缺乏工具的问题。Pan指出,事实上,研究这些修饰是很困难的。表观转录组学需要强大的质谱和高通量测序技术。

He实验室的两名成员——Ye Fu和Guifang Jia重点关注FTO蛋白——He实验室一直研究的去除甲基化的蛋白之一。Fu和Jia认为,FTO可能可以在RNA中去除甲基,他们在努力地鉴定FTO的靶标。Fu等人开始合成含有不同修饰的RNA片段,以确定FTO是否可以去除片段上的修饰。这个项目进展缓慢。三年来,团队遭遇了一系列的失败。Fu甚至感觉他们可能找不出FTO的功能了。

最后,在2010年,团队决定测试FTO对m6A(甲基化腺嘌呤)的活性。结果m6A消失了。该团队首次证明RNA甲基化是可逆的,就像在DNA和组蛋白上发现的标记一样。对He来说,这似乎证明了RNA化学修饰可以进行基因调节。

 

证据积累

并不是只有He的团队关注m6A。2012年,两个研究小组独立发布了m6A出现的位点图谱。研究揭示了来自约7000个基因的mRNA上的超过12,000个甲基化位点。对此,其中一项研究的作者Dan Dominissini在《科学》(Science)杂志中写道:这就像是在黑暗中摸索了好久,突然重见光明。

位点图谱显示,m6A的分布并不是随机的。其位置表明,化学标记可能有剪切RNA转录物的作用,这种机制允许细胞从单个基因合成得到多种蛋白质。

过去几年里,研究人员已经确定了一些涉及调节这些标记的机制。每个标记都需要一个“写入器”来添加、一个“擦除器”来删除,以及一个“阅读器”来读取。随着这些蛋白质的身份被发现,科学家已经明白,m6A不仅影响RNA剪接,还影响翻译和RNA稳定性。

例如,一个m6A阅读器把mRNA运到细胞内负责降解RNA的细胞器处,从而加快mRNA的降解。另一种m6A阅读器通过将甲基化的RNA导入核糖体来促进蛋白质合成。

m6A是促进蛋白质合成,还是破坏转录物,取决于标记的位置和与其结合的阅读器蛋白。以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)遗传学家Gideon Rechavi指出,深入研究具体的选择机制非常困难。Rechavi参与了m6A位点图谱的绘制工作。

目前,科学家们已经清楚的是,m6A在细胞分化中具有基本作用。缺乏m6A标记的细胞会滞留于干细胞或类祖细胞状态。这可能是致命的:当He等人在小鼠中敲除m6A写入器蛋白时,许多胚胎在子宫内死亡。

He提出了一种可能的解释。每次细胞从一种状态变化到另一种状态时——例如在分化期间——其中的mRNA必须也改变。这种mRNA含量的变化被He称为转录组开关,这要求时间控制的精准性。He认为甲基标记可能是细胞同步数千个转录物活性的一种方式。

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的生物学家、自称为“RNA怪胎”的Wendy Gilbert表示,这种解释是可能的。虽然在过去几年里,她真的很喜欢He演讲,但她同时指出,还有其它方法来协调大批基因的表达,如microRNA、片段RNA和非编码蛋白质RNA都有助于沉默基因。Gilbert不认为m6A是唯一一种大批基因的调控方式。

 

读取、写入和调控

 

腺嘌呤上的化学修饰

虽然科学家们早已知道RNA携带大量的修饰,哺乳动物DNA似乎只有几个标记,而且所有都存在于胞嘧啶上。哺乳动物中最常见的修饰是5-甲基胞嘧啶(简写为5mC)。5mC非常重要,以至于常被称为“第五个碱基”(DNA含有四种碱基,A、T、C、G)。但He想知道,是否有其它标记隐藏在基因组中。细菌的DNA上携带m6A,也有写作6mA。马萨诸塞州波士顿儿童医院(Boston Children's Hospital)的生物化学家Eric Greer指出,细菌使用甲基化来区分自己的DNA或外源DNA。研究人员想探究的是,更为复杂的生物体中是否也存在这种m6A。

2013年,He实验室的博士Fu发现了一篇20世纪70年代的有趣的论文。该论文指出,藻类DNA含有甲基化腺嘌呤。Fu表示,没有人了解甲基化腺嘌呤的功能,并且没有人进行深入研究。

Fu和另一位博士后Guan-Zheng Luo决定进一步调查,绘制海藻衣藻DNA中6mA的分布图。他们发现超过14,000个基因中都有6mA。而且6mA的分布并不是随机的:6mA聚集在转录开始的地方。6mA的分布呈现周期性分布的特点。他们猜想,6mA可能可以促进基因激活。

在2000公里外,Greer等人在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的基因组中发现了6mA。Greer当时在做博士后,从事一种在连续传代中繁殖能力越来越弱的秀丽隐杆线虫突变体的表观遗传特性。他想了解这种不育是如何从一代传给下一代的。长期以来,科学家们一直认为秀丽隐杆线虫缺乏甲基化,但是Greer决定使用可以结合特异性甲基化碱基的抗体来确定是否如此。结果他们没有发现任何5mC,但检测到了6mA。此外,在生育能力较差的一代中,6mA的水平似乎更高。Greer等人猜测,6mA是生育力下降这一非遗传信息的载体。这个结果让人欣喜。研究人员之前在多种生物体中都没有找到6mA,因为6mA含量太低。

Greer的实验室负责人Yang Shi知道He在藻类中发现了6mA后,向He求助。He了解了Greer的发现后,也非常兴奋。He表示,他们决定合作。几个月后,He和中国一位在果蝇中发现6mA的研究者碰了个头。他当时特别兴奋。2015年4月,这三篇论文都发表在《细胞》(Cell)杂志上。

耶鲁大学(Yale University)的表观遗传学家Andrew Xiao对这些论文深感兴趣。Xiao等人在哺乳动物细胞中找到了6mA,但尚未公布这一结果。Xiao指出,他们一直以为没人会对这个感兴趣。《细胞》(Cell)杂志上的那3篇文章让他意识到自己的错误,并觉得要加紧完成这个项目。

一年后,Xiao等人发现,小鼠胚胎干细胞中有极低水平的6mA。当研究人员观察6mA的分布时,他们发现X染色体上6mA水平最高。似乎在X染色体上,6mA参与了抑制基因的表达。研究人员还发现了一种似乎是6mA擦除器的酶。

Xiao仍然在探索6mA的功能。他指出,6mA在某些发展阶段似乎至关重要,起到了类似分子开关的作用——仅在这会儿达到峰值,然后立刻消失。

威尔康乃尔医学院(Weill Cornell Medical College)的研究员Samie Jaffrey指出,He的论文引起了巨大轰动,因为多多少少提示了6mA的功能。He和Shi都表示在哺乳动物细胞中发现了6mA,但成果尚未发表。

然而,Shi指出6mA的功能意义尚不清楚。他还表示,即使有最新的技术,这些化学修饰也很难被检测到,更不用提精确定位这些化学修饰。并且不同的组织中,6mA的分布模式可能各不相同。

还有诸多谜题有待揭开。纽约大学医学院(New York University School of Medicine)的遗传学家Mamta Tahiliani对6mA的研究工作高度赞扬,他表示,这些成果“激动人心”。但他也指出,研究人员还没有搞清楚6mA是否能在代与代之间传递——这是表观遗传修饰的一个标志性特征。

 

挖掘更多的标记

一些研究人员尝试深入了解m6A和6mA的功能,而其他研究人员则忙着寻找新的化学修饰。去年,He、Rechavi等人发表论文指出,在RNA腺嘌呤中存在另一种名为N1-甲基腺苷(N1-methyladenosine, m1A)的化学修饰。该化学修饰似乎能促进翻译,虽然基本的机制不同于6mA。He表示,m1A也可能在转录物的同步化调控中发挥作用。

到了1月份,Jaffrey等人报道指出,在mRNA的帽子结构附近存在另一种化学修饰——m6Am。研究人员发现,具有m6Am的mRNA更稳定,因为帽子结构更难去除。 Gilbert指出,调控基因表达的mRNA化学修饰的数量可能比我们设想的要多得多。这是很让人兴奋的。

新发现也引发了新争论。Jaffrey的工作表明,He鉴定出的m6A擦除器FTO,其实是作用于m6Am的。 而在10月,He的研究小组报告说,Xiao鉴定出的DNA上的6mA的擦除器在RNA上6mA的擦除效率更高。这种模糊性在一个正在经历科学“淘金热”的领域是非常常见的。

Rechavi指出,故事才刚刚开始,随着技术的进步,科学家将能够更清楚地看到这些化学标记。丰富的研究可能性让Mason感到非常激动,他认为这是表观转录组学领域的黄金时代。

 

原文检索:
Cassandra Willyard. (2017) An epigenetics gold rush: new controls for gene expression. Nature, 542(1038): 406-408.
张洁/编译

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