Plus深讀 | RNA表觀遺傳學的全新圖景
RNA表觀遺傳學的「扛把子」何川老師喊大家來讀綜述了——這還是何川老師第一次在Cell上綜述這個火爆的領域。作為圈內的一個小學生，筆者今天就來介紹一下這篇綜述文章，並藉此寫一點自己的想法。
筆者之前講過，人們逐漸意識到RNA在中心法則中的核心位置。RNA上的100多種修飾，使得它在基因序列信息之外，又多了一層調控信息，由此一來，同樣的轉錄水平，最終產生蛋白質的總量和時間分布卻大不相同，同樣的基因序列，也可以翻譯出不同序列的蛋白。通過RNA修飾，基因表達在序列沒有改變的情況下出現了差異，人們逐漸習慣在表觀遺傳學的大背景下探討RNA修飾，這也是筆者本人對何川老師提出的RNA epigenetics的理解。
由於蛋白質是生命活動的主要執行者，而蛋白質直接翻譯自mRNA，所以一段時間以來，RNA修飾研究的進展也主要集中於mRNA，但這不意味著RNA修飾的調控作用僅限於mRNA。這篇綜述文章除了總結了mRNA上修飾的研究進展，還分析展望了非編碼RNA修飾的研究，對啟發研究者的思路頗有裨益。
mRNA上的各種修飾
圖1，綜述中提及的各種RNA修飾
小夥伴們最為熟悉的應該是m6A了。m6A是mRNA中最豐富的修飾。不過長期以來，由於單個基因的mRNA含量實在太低，人們對這一修飾的認識也十分有限。2011年，何川老師實驗室的賈桂芳博士和付曄博士發現了第一個mRNA的m6A修飾去甲基酶——FTO，才宣告了之前「洪荒時代」的結束，也開啟了RNA修飾研究的黃金時代。
其它的RNA修飾小夥伴們或許較為陌生，但其實它們都算「身出名門」。m1A在tRNA上極其豐富，假尿嘧啶則是第一個被發現的RNA修飾，但直到最近人們才確認，在mRNA上同樣有它們的身影。m5C在DNA中的兄弟5mC大名鼎鼎，在mRNA中的研究也是最近才多了起來。
最「神秘」的是mRNA臨近5』端的核糖2』位甲氧基修飾（Am、Um、Cm、Gm）。筆者在自己的實驗里也發現，這些修飾含量較多，但它們的功能目前尚不為人所知。最近有報道稱，緊隨5』cap的位置上還存在有m6Am修飾，它N6位的甲基還可以被FTO脫除，並影響了mRNA的穩定性。
mRNA修飾的甲基轉移酶、
去甲基酶和結合蛋白
圖2，m6A修飾的甲基轉移酶複合物，去甲基酶（A）以及結合蛋白的作用模式（B）
和宇宙中的萬事萬物一樣，研究RNA修飾也要考慮三個「哲學問題」：它是怎麼來的，它是怎麼沒的，它來了之後幹了什麼……那這其實就是引入RNA修飾的甲基轉移酶、脫除RNA修飾的去甲基酶、以及RNA修飾的功能各是怎樣的。多說無益，筆者把這些「功能元件」都整理在一張表格中，方便小夥伴們查閱。
甲基轉移酶（修飾酶）
去甲基酶（脫修飾酶）
結合蛋白
m6A
METTL3、METTL14、WTAP、KIAA1429、RBM15
FTO、
ALKBH5
YTH家族、HNRNPA2B1
m1A
未知
ALKBH3
未知
m5C
NSUN2
dTet
ALYREF
Pseudo-U
Pus家族
無
未知
特別要說一下結合蛋白，還是以m6A為例，RNA修飾通過三種方式發揮作用。首先，當m6A處在莖環結構當中時，它會影響RNA螺旋的穩定性，從而影響RNA的結構，這影響了一些蛋白對RNA的結合，例如HNRNPC等。另一方面，有些RNA結合蛋白具有識別m6A修飾的位點，可以特異地結合含有m6A的RNA，比如一系列YTH家族的蛋白，包括何川老師實驗室在內的眾多研究者圍繞這類蛋白的功能進行了研究，YTH家族蛋白影響了mRNA前體加工、蛋白翻譯起始以及mRNA降解等諸多生物過程。此外，由於甲基的疏水性，m6A還會通過結合疏水殘基影響一些蛋白的RNA結合特性。
最近，楊運桂老師實驗室發現ALYREF是一個mRNA上m5C的結合蛋白，它通過NSUN2依賴的方式調控了mRNA的出核轉運過程。m1A在N1位的甲基修飾阻礙了它和尿嘧啶互補配對，而假尿嘧啶相較於尿嘧啶多出一個氫鍵供體，可以通過氫鍵作用結合臨近的磷酸基團。由此，m1A和假尿嘧啶都可以深刻地影響RNA結構，但是在mRNA上m1A和假尿嘧啶的功能還尚未見報道。
圖3，m6A修飾對分化、發育過程的調節作用
基於RNA修飾在分子層面上具有的功能，它們還影響了諸如發育、疾病等生命過程。比如幹細胞當中，多能性基因和譜系定向基因的mRNA生存周期，都受m6A修飾的控制，當m6A甲基轉移酶缺失時，乾性維持以及分化的過程就會紊亂。在斑馬魚中的實驗顯示，胚胎髮育的起始階段，承繼自卵細胞的mRNA需要依賴m6A結合蛋白Ythdf2迅速清除，並由合子新產生的轉錄本取代，而Ythdf缺失會導致發育延緩的表型。m6A的去甲基酶，FTO和ALKBH5的過度表達，還會影響多種癌症的發生於發展。
其他類型RNA上的修飾
到目前為止，RNA修飾的研究還主要集中在mRNA上。然而非編碼RNA，包括lncRNA、tRNA、rRNA等，都有著豐富的RNA修飾，它們的功能人們還知之甚少。究其原因，一方面是因為人們對非編碼RNA本身的認識還較為有限（比如lncRNA），另一方面是長期以來人們把tRNA、rRNA上的修飾作為非動態的、非可逆的恆定存在，重視度不夠。
圖4，tRNA和rRNA上的諸多修飾
事實上，tRNA是修飾最為豐富的RNA。不少修飾還十分複雜，需要通過多種修飾酶的配合才能完成（比如鳥嘌呤G的修飾yW等）。tRNA的34位（wobble position）和37位的修飾最具代表性，它們位於tRNA的反密碼子環上，對於密碼子-反密碼子結合的穩定性至關重要，影響了蛋白翻譯的效率和準確性。而在反密碼子環之外，tRNA修飾通常和結構密切相關，還會影響到tRNA的穩定性。
tRNA的修飾一度被認為是恆定存在的，直到最近人們才發現，tRNA上某些位點只是被部分修飾，在壓力下，某些位點的修飾水平還會發生變化。特別是去年何川老師實驗室的一項工作表明，tRNA上58位的m1A修飾是可逆的，AlkB家族的ALKBH1蛋白可以去除m1A58的甲基化修飾，這一過程還影響了tRNA的穩定性和蛋白翻譯。在rRNA和snRNA上也有諸多RNA修飾，不過它們通常都深藏於摺疊的內部，所以綜述推斷這些修飾應該不會像mRNA上的m6A或tRNA上的m1A58那樣是可逆的。不過在環境因素的刺激下，未成熟的rRNA和snRNA某些位點也可能存在可變修飾。
總結
RNA修飾是轉錄後調控的關鍵所在，在RNA的序列和結構之外，通過各種結合蛋白，RNA修飾提供了另一種調諧基因表達的方式。在分子層面上，m6A充當了mRNA代謝的「加速器」，它使得mRNA被更快地加工、更快地翻譯、最終更快地降解。具有m6A修飾的mRNA翻譯增強了，但其翻譯產物卻被限制在更窄的時間窗內，這對於生物分化、發育過程是一個絕佳的調節模式——在某一階段特異表達的基因，其mRNA壽命被m6A嚴格控制，並完成高效的蛋白翻譯，當發育進入下一階段時，這些mRNA又可以被迅速降解，避免對隨後的發育進程產生干擾。此外，對於RNA修飾的諸多「功能元件」，比如m6A的甲基轉移酶、去甲基酶以及結合蛋白，它們是如何實現底物選擇性的，是否需要其它輔因子的協助，都值得進一步研究。
另一方面，非編碼RNA上的修飾對於其合成、功能、以及穩定性都至關重要。許多tRNA上的修飾在壓力下都是可變的，它們將如何在特定情況下影響基因的表達，同樣是今後研究的重要方向。正如mRNA上m6A去甲基酶FTO的發現宣告了RNA修飾「黃金時代」的到來，那對於非編碼RNA，ALKBH1對tRNA上m1A58的去甲基作用的發現，也為後續的研究提供了一個新的範式。
參考文獻
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