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Nature:RNA修饰 两个步骤调控基因表达

RNA中的m6A结构修饰能够调控基因表达。目前,人们已发现它可间接完成某种特别的控制机制:m6A通过改变RNA的结构,使得某种调控蛋白与RNA结合。


人们认为,信使RNA中修饰量最大的一种是N6-腺嘌呤甲基化(m6A),即一个甲基与腺嘌呤(RNA碱基)的N6位点相结合。m6A修饰具有调控基因表达的作用,扰乱这种调控机制则可能导致人类疾病产生。然而,在m6A中到底是哪一个甲基可产生这种效应,其机制仍属未知。在本期杂志(Nature,518,560)的报道中,Liu等人认为,m6A改变了RNA的二级结构,促使某种RNA结合蛋白易于接近RNA序列,从而干扰修饰,最终起到调控基因表达的作用。

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图1通过 m6A RNA修饰调控选择性剪接。选择性剪接是源自单个基因转录的不同信使RNA产生的进程。在此,RNA转录的蛋白编码序列(外显子)显示为红色和黄色,非编码序列(内含子)为蓝色。

a. 在此例中,剪接作用去除了内含子和外显子之间的阻隔部分。

b. 当腺嘌呤碱基(A)被某个“writer”蛋白甲基化,形成m6A修饰(A-CH3)时,直接结合一个“reader”蛋白,导致剪接产生的mRNA产品中出现全部外显子。“eraser”蛋白质能逆转m6A的形成。

c. Liu等人报道,当m6A在RNA的茎环中形成时,可通过改变碱基对的修饰改变环结构。然后,HNRNPC调控蛋白再与环上的尿嘧啶核苷酸链结合,也产生包含全部外显子的产品。


一直以来,大多数关于RNA修饰机制及其作用的实验证据集中于非蛋白编码的RNA。1974年,有人首次阐述了mRNA的m6A修饰。随后的研究很快明确了是甲基化酶蛋白复合物将m6A“写入”mRNA。而若此复合物受损,则导致多种组织出现进展性抑制作用。


不过,在这些早期发现之后,人们没有了解到更多有关m6A的作用。直至21世纪头十年,才发现m6A去甲基酶在修饰中起“eraser”作用。这项发现暗示了m6A的动态本质。在人类,若编码其中一个eraser的基因发生遗传性改变,就可能导致糖尿病和癌症发生。类似地,测序研究促使人们对m6A位点的认知从几个增加到几千个,并揭示出它们在人类和小鼠中已完成了高度进化。


同时,研究还明确了m6A的“reader”蛋白,且发现该蛋白参与基因表达。目前已经证实:所有的reader蛋白在生物化学水平上均直接与包含YTH(一种RNA结合域,迄今为止其特征仍不甚清楚)的修饰相关联。这个YTH域与给定RNA的甲基化形式相结合时,比与未甲基化RNA结合的亲和力高数倍,这一增强性的结构原理于去年(2014)发表。然而,m6A reader的作用机制仍然未明。


RNA的二级结构为基因表达提供了另一层次的调控作用,但并不严格依赖于碱基的基本序列。比如,当单链RNA(ssRNA)分子的两个区域形成碱基对双链(茎),末端未配对碱基形成环状时,RNA茎环就产生了。茎环能通过将调控蛋白吸引到茎上或环上(或两者)的方式起静态作用。当然,它还能起动态作用,即在不同因素条件下,通过改变结构,在RNA水平上进行调控转换,影响细胞功能。这些因素的涵盖范围从物理化学参数(包括pH、温度、离子及代谢物的结合)到生物大分子(例如核酸分子及蛋白质)。据Liu等人报道,mRNA中有几千种这样的转换,均通过RNA修饰激活。


基于m6A位于转录MALAT1的一个非编码长链RNA茎环上这一发现,作者进一步获知:HNRNPC蛋白(一种含有丰富ssRNA的结合蛋白,参与几种转录后基因调控进程的调节,比如选择性剪接)优先与这种 RNA的甲基化型结合。HNRNPC结合位点包含一段尿嘧啶核苷酸,它位于茎环上,与m6A位点相对。研究人员观察到,m6A位点的甲基化通过打破碱基对的平衡、增加富含尿嘧啶核苷酸单链的环长度来改变茎环的结构,从而使得结合位点更易于与HNRNPC蛋白结合(图1)。


值得注意的是,MALAT1的m6A修饰并非直接利用效应蛋白(reader)起作用,却通过改变RNA结构(甲基化作为转换器来改变环结构,促使蛋白与之结合)来间接完成这一通路。这两个步骤可被受到m6A转换控制的变化紧密调控。就在上月,一篇囊括了生物物理学、结构测定和在生物体中探测m6A结构脉络的研究公开发表。该研究揭示了m6A改变二级结构部分的趋向,该二级结构由双链RNA形成,位于单链区域和碱基对区域的交界处,正如MALAT1这一案例中所观测到的一样。


Liu等人继续阐述m6A转换的数量和功能性作用。他们通过观察,看在转录物组(整套转录RNA)中,当m6A水平整体减少时,哪些m6A位点的出现使得HNRNPC结合减少,结果以高置信度确认了2798个位点。接着,他们进一步阐述了HNRNPC和m6A甲基化的连接作用,表明不同细胞的RNA转录多达5251种,它们有的抑制HNRNPC的结合,有的减少m6A的甲基化。作者还通过甲基化、HNRNPC与多种选择性剪接外显子(基因的蛋白编码区域)结合的方式,观察到类似的共调节作用。


上述发现对于我们理解m6A如何控制基因表达而言,是一项巨大的进展,但也留下了许多问题。比如:HNRNPC在m6A甲基化中,是唯一通过此机制被利用的RNA结合蛋白吗,还是另有其它蛋白的参与?Reader蛋白质参与这种m6A转换,这样是进一步降低了二级结构的稳定性呢,还是有助于因子的补充复原?是哪一种细胞变化激发了转换的发生?最后,在庞大的转录物组中,还有其它RNA修饰促使其转换发生吗?在我们看来,恐怕还有更多的问题亟待解决。


原文检索:Dominik Theler, Frédéric H.-T. Allain. (2015) RNA modification does a regulatory two-step. Nature, 518,492-493.


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