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表观遗传学的新一波“淘金热“,聚焦在了RNA上

2017/03/14 来源:Nature自然科研
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导读
在DNA和RNA中重新发现的化学标记撼动了表观遗传学领域。

原文以An epigenetics gold rush: new controls for gene expression为标题

发布在2017年2月22日的《自然》新闻上

原文作者:Cassandra Willyard

在DNA和RNA中重新发现的化学标记撼动了表观遗传学领域。

一些伟大的观点似乎是横空出世的,但在2008年,何川却在有意寻找这样的伟大发现。当时,美国国立卫生研究院(NIH)刚刚启动对高风险、高影响力项目的资助,身为芝加哥大学化学研究者的何川也想申请这种资助。但他需要一个有说服力的申请计划。

何川一直在研究一类可以修复受损DNA的蛋白质家族,他开始猜测这种酶或许也能作用于RNA。机缘巧合之下,他遇到了分子生物学家潘滔。潘滔的研究对象是RNA中一种名叫甲基的特殊化学标记。二人在芝加哥大学的同一栋办公楼里工作,并开始定期会面。在他们的对话中,一个伟大的观点渐渐成形。

当时,生物学家们都对表观基因组感到振奋。表观基因组指的是修饰DNA及其蛋白支架的一系列化学标记。这些标记就像是一种化学注释,告诉细胞该表达哪些基因、静默哪些基因。因此,表观基因组有助于解释为什么拥有相同DNA的细胞会发育成众多的专门类型,构成不同的组织。举例来说,这些标记能帮助心脏中的细胞保持自己的“身份”,不会变成神经元或脂肪细胞。表观遗传标记错位经常出现在癌细胞中。


Nik Spencer/Nature

在何川和潘滔开始合作时,大部分表观遗传研究都集中在与DNA以及DNA包裹的组蛋白相关的标记上。当时,研究者虽然已经在RNA上发现了100多种不同类型的化学标记,但并不了解它们的功能。何川研究的某些酶可以剥离甲基,因此,他和潘滔想知道其中的一种酶是否也能作用于RNA。如果RNA甲基化是可逆的,它们或许就构成了一种全新的调控基因表达的方式。2009年,他们获得了资助,开始在RNA上寻找可逆的标记,以及能够擦除它们的蛋白。

9年后,一种新的“组”从这项研究中诞生了:表观转录组。何川等人表明,一种附着在腺嘌呤上(RNA的四个碱基之一)的甲基在细胞分化中扮演了重要角色,还可能与癌症、肥胖症等疾病相关。2015年,何川实验室和另外两个团队在DNA的腺嘌呤上发现了相同的化学标记(此前,人们只在胞嘧啶上发现过甲基标记),这表明表观基因组可能比研究者之前想象的更加丰富。相关研究不断涌现。“我认为我们进入了表观基因组学和表观转录组学的黄金时期,”康奈尔大学维尔医学院的遗传学家Christopher Mason说,“我们真正开始认识这些几十年前就已发现的修饰了。”

标记信使

分子生物学最核心的规则,即分子生物学中心法则认为,信息是从DNA传递到mRNA,再传递到蛋白质中的。因此,许多科学家认为mRNA只不过是一个传递者,将细胞核中编码的遗传信息送往细胞质中的蛋白质工厂。这也是很少有研究者关注mRNA修饰的原因之一。

不过,这些修饰也并非不为人知的秘密。让何川登上表观转录组学研究前沿的标记是1974年首次在mRNA中发现的。当时,密歇根州立大学的有机化学家Fritz Rottman正在试图理解RNA在调控基因表达方面的作用,他偶然发现了腺嘌呤上的一个甲基。这个被修饰的碱基被称作N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine),由于名字拗口,通常被简写为m6A。

Rottman及同事写道,RNA甲基化可能是选择特定转录物,将其翻译成蛋白质的一种方式。“不过那全是猜测,”密歇根州立大学遗传学家Karen Friderici说,她是1974年论文的作者之一。他们的团队没有找到一个研究该标记真正功能的好方法。“分子生物学那时才刚起步。现在使用的许多工具我们当时都没有,”她说。

30多年后,何川和潘滔发现他们仍然缺少工具。“要真正研究这些修饰非常困难,”潘滔说。它需要强大的质谱分析术和高通量测序技术。

尽管如此,何川实验室的两位成员付晔和贾桂芳仍然继续开展研究,他们关注的是FTO蛋白——何川小组研究的脱甲基酶家族的一个成员。付晔和贾桂芳认为它或许能去除RNA上的甲基,但无法识别出它的靶标。付晔和他的同事开始合成包含了不同修饰的RNA片段,以确定FTO是否能够去除它们。这是一个缓慢的过程。三年中,团队屡屡失败。“当时,我几乎觉得我永远也发现不了它的作用了,”付晔说。

终于,在2010年,团队决定在m6A——甲基化腺嘌呤上测试FTO的活性。标记不见了。团队首次发现RNA甲基化也是可逆的,就像在DNA和组蛋白上发现的标记一样。对何川来说,这似乎就是基于RNA的基因调控系统存在的证明。

证据增加

关注m6A的并不只有何川的小组。2012年,两支团队独立发布了m6A的首个位点图谱。这些研究揭示了来自约7000个基因的mRNA上的12000多个甲基化位点。“在黑暗中摸索多年后,我们终于迎来了光明,”其中一项研究的作者Dan Dominissini在一篇发表在《科学》杂志的文章中写道。

位点图谱显示,m6A的分布并不是随机的。它们的位置表明,m6A可能在RNA转录物的选择性剪接中发挥了作用,该机制允许细胞从单个基因中生产多个版本的蛋白质。

在过去几年中,研究人员已经发现了调控这些标记所涉及的一些机制。每个标记都需要一个“写入器”来放置,一个“擦除器”消除,还需要“阅读器”读取(见“读取、写入和调节”)。随着这些蛋白质的身份浮出水面,科学家们了解到m6A不仅会影响RNA剪接,还会影响翻译和RNA稳定性。


Nik Spencer/Nature

举例来说,一个m6A阅读器会将mRNA运至细胞内的降解位点,加速其降解。另一个m6A阅读器则会将甲基化RNA导向核糖体,促进蛋白质的生成。

是指导细胞生成蛋白质还是破坏转录物,取决于m6A的位置和与之结合的阅读器。不过,参与了m6A位点图谱绘制的遗传学家,以色列特拉维夫大学的Gideon Rechavi表示,要弄清这种选择机制还挑战重重。

现已明确的是,m6A在细胞分化方面发挥着重要作用。缺少该标记的细胞会陷入类似干细胞或祖细胞的状态。这一点可能是致命的:在何川及同事破坏了小鼠体内的m6A写入器后,许多胚胎就在子宫内死亡了。

何川还就m6A的作用提出了一个可能的解释。每当细胞从一个状态转变为另一个状态时(比如在细胞分化期间),细胞内的mRNA也必须改变。何川将这种mRNA含量的改变称为转录组开关,它在变化量和时间上都需要精确性。何川认为,甲基标记可能是细胞同步成千上万种转录物活性的一种方式。

麻省理工学院的生物学家、自称“RNA极客”的Wendy Gilbert表示,何川的解释是合理的。“在何川过去几年来的研究中,我非常欣赏他对解释这种标记最重要属性的尝试,”她说。不过她指出,要协调大批基因的表达还有其它方式,比如microRNA,一种不编码蛋白,并且参与了基因静默的小片段RNA。“我不认为m6A是唯一的方式,”她说。

一切尽在腺嘌呤

虽然科学家早已知道RNA的四个碱基都携带着大量修饰,但哺乳动物的DNA中似乎只有少量标记,而且全部都在胞嘧啶上。哺乳动物最常见的修饰是5-甲基胞嘧啶(5mC),它极其重要,以至于常常被称为继A、C、T、G之后的第五个碱基。但何川想知道哺乳动物的基因组中是否还隐藏了其它标记。细菌携带的是m6A的DNA对应物,被称作N6-甲基腺嘌呤或6mA.“它们利用甲基化来区分自己的DNA和外源DNA,” 波士顿儿童医院的生物化学家Eric Greer说。但在弄清m6A是否存在于更为复杂的生物体中时,研究者却遇到了困难。

2013年,何川的博士后付晔发现了一篇发表于上世纪70年代的引人入胜的论文,论文提出藻类的DNA中含有甲基化腺嘌呤。“没有人知道它的功能,也没有人跟进研究,”付晔说。

付晔和另外一位博士后骆观正决定进一步推广该研究,绘制衣藻(Chlamydomonas)DNA中的6mA分布图。他们在14000多个基因中发现了6mA。它的分布不是随机的:6mA聚集在转录起始位点附近。“我们发现了某种周期性的高峰分布。看起来就像一个高峰接着一个高峰,”付晔说。他们推测,这种修饰或许能促进基因激活。

在将近2000公里之外的波士顿,Greer及同事在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的基因组中发现了6mA。当时,Greer还是个博士后,正在利用一种繁殖能力逐代减弱的秀丽隐杆线虫突变体研究表观遗传问题。他想了解这种不育是如何传代的。此前,人们一直认为秀丽隐杆线虫缺少甲基标记,但Greer决定用可以结合特异甲基化碱基的抗体来复核这一点。

他与同事没有发现任何5mC,但却检测到了6mA。更重要的是,在生育能力较低的世代中,6mA水平似乎更高,他说,“这带来了一种可能性,即6mA确实是这种非遗传信息的载体”。这个结果非常出人意料。此前,研究人员曾在多细胞生物中寻找过6mA,但是却没有找到,因为它的含量太低了。

Greer的实验室主管施杨知道何川已经在藻类中发现了6mA,于是请他帮忙。施杨的发现让何川十分激动。“我们决定一起开展研究,”何川说。几个月后,何川见到了一位在果蝇中发现了6mA的中国研究者。“我激动地不能自已,”何川说。2015年4月,三篇论文同时发表在《细胞》杂志上。

在耶鲁大学学习表观遗传学的Andrew Xiao对这些论文非常有兴趣。Xiao及同事在哺乳动物细胞中发现了6mA,但还没有发表他们的结果。“我们真的觉得没有人对这个领域感兴趣,”Xiao说。《细胞》杂志的文章证明他是错的。“我们意识到要赶紧行动起来。”

一年后,Xiao及同事表明小鼠胚胎干细胞中也有极低水平的6mA。在观察该标记的分布时,研究者发现X染色体上6mA的水平最高,6mA似乎在此处参与了基因表达静默。研究人员还发现了一种可能是6mA擦除器的酶。

Xiao仍在探索6mA的功能。他表示,6mA似乎在特定的发育阶段发挥了关键作用,就像一个分子开关一样,一时很少,一时激增,然后又消失了。

“他的论文绝对石破天惊,”康奈尔大学维尔医学院的研究人员SamieJaffrey说。“它真正展示了6mA的功能。”何川和施洋表示,他们也已在哺乳动物中发现了6mA,只是尚未将结果发表出来。

不过,施洋表示,6mA的重要性尚不清楚。何川指出,即使运用最新技术,也只能检测到该修饰的大概情况,而无法绘制其精确位置。6mA的分布模式在不同组织之间也可能有所差异。

仍有一些重大问题尚待解决。纽约大学医学院遗传学家Mamta Tahiliani认为6mA研究“极为振奋人心”,但也指出,研究人员尚未说明该标记会由一代细胞传至其子代——而这是表观遗传修饰的标志之一。

挖掘更多标记

在一些研究人员尝试进一步了解m6A和6mA功能的同时,另一些研究人员则在寻找新的修饰。去年,何川、Rechavi及同事报告在RNA腺嘌呤上发现了另一个甲基标记,名为N1-甲基腺苷 (m1A)。该标记似乎也会促进翻译,但基本机制与6mA不同。何川表示,它可能也在为转录组开关同步转录物中发挥了作用。

随后,Jaffrey及同事在今年一月报告称,mRNA帽附近还存在另一种修饰。研究人员发现,带有该标记(名为m6Am)的mRNA更稳定,因为它们的帽更难去除。“可能对基因表达有影响、且受到调节的mRNA修饰或许远远多于我们此前想象的,这一点令人感到兴奋,”Gilbert说。

随着新发现到来的还有科研上的争议。Jaffrey的研究认为,被何川识别为m6A擦除器的FTO蛋白实际上靶向的是m6Am。去年10月,何川团队提出,被Xiao识别为DNA上6mA擦除器的酶实际上更擅长剥离某种RNA上的m1A。尽管如此,在一个正在经历科研“淘金热”的领域,这种不确定性亦在意料之中。

“故事才刚开始,”Rechavi说。随着技术的进步,科学家们将能更加清楚地认识这些标记。Mason表示,丰富的研究可能性让自己感到“无比喜悦”。“现在是研究这个领域最美好的时期。”

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