擬南芥m6A甲基化組的系統(tǒng)鑒定和功能分析

駱觀正，Alice MacQueen，鄭冠群，段紅超，Louis C. Dore，盧志科，劉君，陳凱，賈桂芳，Joy Bergelson，何川,

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擬南芥m6A甲基化組的系統(tǒng)鑒定和功能分析

駱觀正1,2，Alice MacQueen3，鄭冠群1,2，段紅超4，Louis C. Dore1,2，盧志科1,2，劉君4，陳凱1,2，賈桂芳4，Joy Bergelson3，何川1,2,4

1. Department of Chemistry and Institute for Biophysical Dynamics, The University of Chicago, Illinois 60637, USA; 2. Howard Hughes Medical Institute, USA; 3. Department of Ecology and Evolution, The University of Chicago, Illinois 60637, USA; 4.北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院化學(xué)生物學(xué)系，合成與功能生物分子中心，北京 100871

駱觀正，生物信息學(xué)博士

作為mRNA上最豐富的一種甲基化修飾，N6-甲基腺苷(N6-methyl-adenosine，m6A)廣泛存在于酵母以及動植物中。然而多年來由于缺乏有效的技術(shù)手段，這些甲基化修飾發(fā)生在mRNA的什么位置，以及如何行使其生物學(xué)功能，卻長時間沒有定論。近年來，隨著mRNA去甲基酶FTO和ALKBH5的發(fā)現(xiàn)，m6A被證明是一種動態(tài)可逆的甲基化修飾。人們意識到，mRNA上的m6A可能和多種生物學(xué)功能相關(guān)。最近，研究人員利用高通量測序的方法，系統(tǒng)鑒定出人和小鼠mRNA上m6A的修飾情況，揭示出這一修飾具有潛在的調(diào)控功能。隨后，對YTH蛋白家族的研究表明，這類蛋白特異性的結(jié)合m6A位點，并介導(dǎo)mRNA的降解。

在植物中，m6A甲基轉(zhuǎn)移酶缺陷可導(dǎo)致胚胎致死性表型。而對植物不同組織的測定發(fā)現(xiàn)，花蕾具有較高的m6A含量。另外一些甲基轉(zhuǎn)移酶突變植株表現(xiàn)出頂端優(yōu)勢的喪失，生長異常，毛狀體分支增加等表型，表明m6A對植物發(fā)育也起著至關(guān)重要的作用。

為了進一步研究mRNA甲基化對植物的意義，北京大學(xué)賈桂芳課題組與芝加哥大學(xué)何川教授及Joy Bergelson教授合作，利用m6A特異性抗體富集含有m6A的mRNA片段，結(jié)合高通量測序和生物信息學(xué)分析，全面繪制出兩種擬南芥中的全轉(zhuǎn)錄組m6A甲基化圖譜，揭示出植物中m6A的獨特性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，植物m6A是高度保守的mRNA修飾形式。實驗所選取的兩種擬南芥生態(tài)型來源于截然不同的自然環(huán)境，一種來自于熱帶加那利群島，而另一種來自于高緯度的瑞典北部。然而，甲基化圖譜顯示，這兩種擬南芥的甲基化位點高度一致。這種高保守型提示了m6A參與了對植物生存至關(guān)重要的生理過程。不同于哺乳動物的是，擬南芥中m6A不僅富集于終止密碼子周圍和3'非翻譯區(qū)(3'-UTR)內(nèi)，同時也在起始密碼子的周圍富集(圖1)。在3'-UTR的m6A富集區(qū)含有和哺乳動物相似的一致性序列RRACH，而在起始密碼子附近的m6A富集區(qū)則發(fā)現(xiàn)了新的序列模式(motif)。m6A在擬南芥中獨特的特性提示了這種mRNA修飾在植物中發(fā)揮了不同于動物中的功能。借助于基因本體學(xué)分析(Gene Ontology Analysis)，研究發(fā)現(xiàn)富含m6A的基因與葉綠體相關(guān)的一些植物特異性信號通路有關(guān)聯(lián)。

之前對YTH蛋白家族的研究揭示了m6A和mRNA降解的關(guān)系，而植物中特異的m6A分布提示了其有可能發(fā)揮了更多不同的功能。研究組針對m6A在mRNA上分布的特點，將基因分類為3'端含有m6A的基因和5'端含有m6A的基因，并對不同類別的基因分別進行了mRNA表達量的關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明，3'-UTR及終止密碼子附近富含m6A的基因確實和mRNA降解相關(guān)，而起始密碼子附近的m6A的富集卻和mRNA豐度之間存在正相關(guān)關(guān)系(圖1)。這一現(xiàn)象在m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶突變型數(shù)據(jù)中也得到了支持：MTA突變型植株整體m6A的含量都明顯降低，而基因表達也受到了顯著的影響。在MTA突變植株中下調(diào)的基因相比于上調(diào)的基因更多的含有m6A甲基化修飾，另一方面證實了由于突變型中m6A的缺失抑制了這些基因的表達。

作為首次在植物中全面鑒定mRNA甲基化組的研究，該工作為更多的研究者提供了研究的素材，也提示了m6A在植物中的重要作用。相關(guān)結(jié)果于2014年11月28日發(fā)表于(DOI: 10.1038/ncomms6630)。

文章鏈接：http://www.nature.com/ncomms/2014/141128/ ncomms6630/full/ncomms6630.html。

圖1 m6A在mRNA上的分布特征

高通量測序鑒定出m6A富集在mRNA的起始密碼子和終止密碼子附近。

賈桂芳，E-mail: guifangjia@pku.edu.cn；Joy Bergelson，E-mail: jbergels@uchicago.edu；何川，E-mail: chuanhe@uchicago.edu