导读
在20世纪50年代,研究人员首次在酵母中发现了第一种结构修饰的核苷——假尿苷。随后,1974年发现了哺乳动物mRNAs的N(6)-甲基腺苷(m6A)修饰。近年来,随着高通量技术的发展,掀起了一股表观遗传修饰的研究浪潮。人们已经认识到RNA甲基化的普遍性和生物学意义。m1A、m5C、m7G 等RNA修饰也逐渐进入人们的视野。由此,RNA表观遗传修饰研究领域应运而生。
背景知识
在了解m7G 之前,不得不先说一下m6A的相关知识。m6A影响许多生物学过程,如pre-mRNA加工、蛋白质翻译启动和mRNA的降解。进而会影响发育、代谢性疾病、性别分化和肿瘤发生。最重要的是,发现m6A去甲基酶FTO,为RNA动态表观遗传修饰的研究铺平了道路,并为其他RNA甲基化修饰的研究奠定了基础。N7-甲基鸟苷(m7G)的修饰普遍存在于mRNA、tRNA、rRNA中。在mRNA中,甲基转移酶样1(METTL1)和WD repeat domain 4 (WDR4)复合体可以将m7G安装在mRNA上,这会影响mRNA的翻译效率。在真核生物中,METTL1和WDR4形成甲基转移酶复合体,可以催化tRNA中m7G的修饰。在rRNA中, WBSCR22/TRMT112 复合物作为甲基转移酶参与了18S rRNA前体的加工, 这对于 40S 核糖体亚基之前的核输出是必需的,这表明这些 m7G甲基转移酶与18S rRNA 的结合可作为 40S 核糖体亚基成熟过程中的保守质量控制机制。这些m7G甲基化影响RNA功能,并且与人类疾病有关。比如,缺乏METTL1和WDR4的小鼠胚胎干细胞在自我更新和神经分化方面存在缺陷。另外m7G甲基化还与肿瘤发生、肿瘤细胞化疗耐药等生物过程相关。
m7G发文思路及相关实验技术
m7G RNA的甲基化图谱可以提供表观转录组标记的全面数据,这些数据将有助于研究RNA甲基化对相关疾病的调节作用、在表观遗传水平上揭示潜在的生物标记物,并为临床研究提供新的策略。绘画m7G RNA相关的甲基化图谱所用的主要测序技术是Merip-m7G-Seq技术。MeRIP-seq是将MeDIP、RIP及RNA-seq技术结合起来,在全基因组范围内精确检测RNA甲基化,适用于m7G RNA甲基化谱研究,利用特异性的RNA甲基化抗体进行免疫共沉淀反应,将获得的甲基化修饰片段测序。可以快速筛选m7G RNA甲基化靶基因。
在下文中1,作者选择了斑马鱼模型动物进行了系统的研究,以了解大脑中的mRNA甲基化图谱。本研究首次建立了斑马鱼脑表位转录组中m1A、m5C、m6A和m7G的综合图谱,揭示了这些修饰在低氧条件下在mRNA中的分布。这些数据为进一步研究m1A、m5C、m6A和m7G参与脊椎动物miRNA和重复元件的调控提供了宝贵的资源,也为从表位转录组学角度研究脑缺氧损伤提供了新的思路。
最近的研究表明,tRNA也会受到m7G修饰的严格调控。tRNA表达模式的差异让增殖和分化细胞表达出不同的翻译程序。此外,tRNA也能被切割成更小的RNA,其中一些参与了细胞增殖,甚至比microRNA更丰富。这些成果都说明,我们需要更好地了解tRNA如何被调控。在研究tRNA上的m7G修饰时,一个关键的测序技术tRNA还原和裂解测序(TRAC-Seq),用于在tRNA转录组中,以单核苷酸分辨率对tRNA的7-甲基鸟嘌呤(m7G)修饰进行无偏倚的全局定位。与基于抗体的测序方法(如用于甲基化RNA序列富集的甲基化RNA免疫沉淀和meRIP-Seq)不同,基于化学的测序方法(包括TRAC-Seq)可以提供修饰位点的单核苷分辨率的分析。实现了对tRNAs中m7G位点的特异性、高效的单核苷酸解析谱分析。
在下文中2,作者就使用TRAC-seq来更好地理解在METTL1/WDR4过表达细胞中驱动恶性转化的分子机制。作者首先发现METTL1在癌症中经常过度表达,并且与较差的生存有关。然后继续研究证明METTL1缺失会导致m7G修饰的tRNA丰度降低,改变细胞周期,抑制致癌作用。反之,METTL1的过表达会导致致癌细胞转化和癌症。从机制上讲,作者发现m7G修饰的tRNAs的丰度增加,特别是Arg-TCT-4-1,并且mRNAs的翻译增加,包括富含在相应AGA密码子中的细胞周期调节因子。因此,Arg-TCT在许多肿瘤类型中的表达升高,并与患者的生存相关,并且这种tRNA的过度表达诱导了致癌转化。因此,METTL1介导的tRNA修饰通过重塑mRNA的“翻译组”来驱动肿瘤转化,增加生长促进蛋白的表达,是一个有前景的抗癌靶点。
非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)是指不编码蛋白质的RNA,包括miRNA、lncRNA、circRNA、piRNA等。非编码RNA发挥功能的方式很多,可以与蛋白、DNA和RNA相互作用,参与多种细胞活动,主要包括基因的激活和沉默,RNA的剪接、修饰和编辑,蛋白质的翻译等。ncRNA研究一直是生命科学领域的研究热点,也是国自然申报的重要领域,高分文章也频频出现在我们视野。
虽然ncRNA是研究热点,但是由于缺乏高灵敏度的检测方法,m7G在低丰度mRNA和microRNAs(miRNAs)中的检测受到阻碍。在下文中3,作者应用一种化学反应来检测miRNA内部m7G。通过利用这个方法(硼氢化物还原测序[BoRed-seq])与RNA免疫沉淀结合,作者在抑制细胞迁移的miRNA子集中发现了m7G。作者发现METTL1甲基化转移酶介导miRNA中的m7G甲基化,并且其通过自身的催化活性调节细胞迁移。通过质谱法,作者可以将m7G定位到 let-7e-5p miRNA中的单个鸟嘌呤。结果表明,METTL1介导的甲基化是通过破坏主要miRNA转录本(pri-miRNA)来增强let-7 miRNA的加工。这些结果证明了METTL1介导的m7G作为一种新的RNA修饰途径来调节miRNA结构,生物发生和细胞迁移。
N7-甲基鸟苷(m7G)是tRNA,rRNA和mRNA 5'cap中存在的最丰富的修饰之一,并且在调节RNA加工,代谢和功能中具有关键作用。但除了其在mRNA中的帽位置外,内部mRNA区域中鉴定了m7G。然而,其在内部mRNA区域内的转录组范围的分布和动态调节仍然未知。
在下文中4,作者开发了单碱基分辨率的m7G高通量测序技术(m7G miCLIP-seq),通过该方法系统性描绘m7G在真核生物mRNA内部的分布特征,发现该修饰的分布在不同的物种间具有保守性。正常条件下,人和小鼠mRNA内部的m7G显著富集于5’非翻译区(5’UTR)和起始位点附近的AG二碱基富集区;而H2O2和热激处理下,m7G分布发生动态性变化,显著富集于基因编码区(CDS)和3’UTR区。并且应激处理下形成的m7G具有促进蛋白质翻译的作用。总之,通过开发单碱基分辨率的m7G高通量测序技术,作者发现mRNA m7G甲基组的动态变化,并揭示了应激处理下m7G在翻译中具有调节作用,这对于处在应激状态的细胞中mRNA翻译具有重要意义,同时也为m7G在mRNA生物学中的修饰开辟了一个新的领域。
m7G是一个新兴的热点,目前还没有很多数据库。上述介绍的文章思路,大多与测序相关。高通量测序固然是筛选基因的好方法,但成本较高。利用好相关的数据库可以事半功倍。今天小编就给大家介绍一个探究与疾病相关的m7G位点的数据库:m7GDisAI基于异构网络的模型,推断潜在的与疾病相关的m7G位点(http://180.208.58.66/m7GDisAI/)(目前该数据库正在维护,相信不久可以与大家见面)。
到目前为止,已经有人通过高通量测序方法确定了数万个m7G靶点,这些信息在生物信息学数据库中公开可用,可以通过计算来预测潜在的与疾病相关的m7G靶点。为了填补这一空白,下文作者构建了一个m7G与疾病相关性分析数据库。作者从不同的数据库中收集了m7G位点与疾病的关联信息、m7G位点的基因组信息和疾病的表型信息,构建了m7G与疾病的关联数据集。为了推断潜在的疾病相关的m7G位点,作者提出了一个基于异质网络的模型,m7G位点和疾病关联推理(M7GDisAI)模型。M7GDisAI通过在异质网络上应用矩阵分解方法来预测潜在的与疾病相关的m7G站点,该方法集成了m7G站点和疾病的综合相似性信息5。
全文小结:
“表观转录组学”是通过转录后修饰影响RNA的结构和功能,是近几年来最热门的研究领域之一。真核生物中的m7G 修饰在进化上是保守的,甲基转移酶复合物都可催化这种修饰,其中METTL1/WDR4复合体的研究最深入。m7G修饰RNA的稳定性增加与表达水平会发生变化,从而促进表型的转化(如肿瘤生成)。作为近期科研界的热点,m7G甲基化还存在很多未知的领域需要探索,其科研价值不言而喻。本文就近期m7G的发文思路和新的测序和分析技术进行汇总,希望多大家有所帮助。
参考文献:
1. Li W, Li X, Ma X, Xiao W, Zhang J. Mapping the m1A, m5C, m6A and m7G methylation atlas in zebrafish brain under hypoxic conditions by MeRIP-seq. BMC Genomics Feb 8 2022;23(1):105.doi:10.1186/s12864-022-08350-w.
2. Ma J, Han H, Huang Y, et al. METTL1/WDR4-mediated m(7)G tRNA modifications and m(7)G codon usage promote mRNA translation and lung cancer progression. Mol Ther Dec 1 2021;29(12):3422-3435.doi:10.1016/j.ymthe.2021.08.005.
3. Pandolfini L, Barbieri I, Bannister AJ, et al. METTL1 Promotes let-7 MicroRNA Processing via m7G Methylation. Mol Cell Jun 20 2019;74(6):1278-1290 e1279.doi:10.1016/j.molcel.2019.03.040.
4. Malbec L, Zhang T, Chen YS, et al. Dynamic methylome of internal mRNA N(7)-methylguanosine and its regulatory role in translation. Cell Res Nov 2019;29(11):927-941.doi:10.1038/s41422-019-0230-z.
5. Ma J, Zhang L, Chen J, Song B, Zang C, Liu H. m(7)GDisAI: N7-methylguanosine (m(7)G) sites and diseases associations inference based on heterogeneous network. BMC Bioinformatics Mar 24 2021;22(1):152.doi:10.1186/s12859-021-04007-9.