《化学所在RNA表观遗传修饰的化学调控研究方面取得进展》

  • 来源专题:中国科学院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-03-30
  • RNA的表观遗传修饰是RNA调节基因表达的化学基础,利用新反应技术和新分子工具对RNA修饰进行精准调控对揭示RNA介导的遗传信息表达网络具有重要意义。然而由于RNA本身的不稳定性,使得在活细胞水平进行化学调控变得异常艰难。N6-甲基腺嘌呤(m6A)是真核生物最常见和最丰富的一种修饰,占甲基化修饰的80%以上。m6A修饰广泛参与调控mRNA的剪接、运输、稳定性和翻译效率等,并且与肥胖和肿瘤等多种生理功能异常及疾病相关。发展能够直接与m6A修饰进行相互作用的小分子化合物,以此实现在细胞水平上特异性识别m6A修饰并且进行选择性调控,更加精确地描绘RNA的修饰动态过程及其效应,具有十分重要的生物学意义和应用价值。

      在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中国科学院化学研究所分子识别与功能重点实验室研究员程靓团队长期从事该领域的基础研究,发展了一系列针对重要RNA表观遗传修饰的高选择、高灵敏、时空分辨的化学转化、荧光标记的原理和方法。他们前期报道了首例在蓝光照射下,维生素B2选择性促进核苷水平的m6A去甲基化研究(Chem. Commun. 2017, 53, 10734),为后续在细胞水平调控m6A奠定了基础。最近,他们和活体分析化学重点实验室研究员汪铭课题组合作,首次实现了化学小分子对RNA表观遗传修饰的直接干预。研究表明,核黄素单核苷酸(FMN)作为人工去甲基化酶,能够利用细胞中的氧气实现核苷、寡核苷酸以及活体细胞水平上的m6A去甲基化。FMN的作用方式是特异性地氧化N6-甲基取代的腺苷,而不是传统的作为甲基化酶的抑制剂或去甲基化酶的激动剂。即使在甲基化酶过表达的细胞中,FMN依然可以有效地下调m6A的表达水平,表明FMN有望作为新型的靶向m6A修饰的小分子抑制剂进行开发,对治疗由m6A过表达引起的生理疾病以及深入研究m6A的生物学功能提供了候选化合物。相关成果发表于《德国应用化学》

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  • 《病毒的表观遗传调控》

    • 来源专题:病毒性肝炎防治
    • 编译者:李爱花
    • 发布时间:2014-12-18
    • 细胞产生了许多发现和抑制微生物感染的机制。模式识别受体(PRRs)的运用是其中之一。PRRs可表达于细胞表面、胞质、或内涵体,用于发现病原相关分子模式(PAMPs)或被损坏细胞释放的危险信号(如危险相关分子模式,DAMP)。PRR的激活可激发信号级联反应,导致抗微生物细胞因子的产生,包括I型干扰素。这些细胞因子反过来诱导基因的表达,如干扰素诱导基因(ISGs),表现为抗微生物活性。除了PRRs,自噬是另一种细胞外防御机制。细胞以异体吞噬的方式用自噬清除细胞外病原体。病毒为了存活下来已经产生了不同的机制来抑制这些固有免疫反应。一个明显的例子是HCV NS3蛋白酶可将线粒体抗病毒信号蛋白(MAVS)切断。MAVS是能被HCV基因组RNA激活的胞浆模式识别受体RIG-I重要的下游接头分子。另一个例子是流感病毒NS1蛋白,结合E3泛素连接酶TRIM25防止器激活RIG-I。类似地,自噬通路可能被病毒抑制或被病毒利用于自身的复制中。前者以单纯疱疹病毒1的ICP34.5蛋白为代表。后者以HCV为代表,利用自噬增强它的复制。 在Ducroux等的报道中,作者展示了另一种病毒感染的细胞控制。通过运用一系列亲和纯化方法,作者发现Spindlin1是一种乙型肝炎病毒X蛋白(HBx)的结合对象。他们接下来发现Spindlin1能抑制HBV的复制,因为它的过表达减少了HBV RNA和DNA复制中间物的水平。相反,通过RNA干扰减少Spindlin1增强了HBV复制。他们指出Spindlin1对HBV的抑制效应是在转录水平,因为在核连缀(转录)分析中Spindlin1的过表达减少了HBV DNA的80%的转录活性,Spindlin1对HBV的效应具有特异性,细胞基因cyclinA2未观察到此现象。 Spindlin1有三个Tudor 样结构域并能结合至H3的三甲基赖氨酸4(H3K4me3)和不对称二甲基精氨酸8 (H3R8me2a)。通过染色质免疫共沉淀(ChIP)实验,Ducroux等揭示出Spindlin1能结合至HBV共价闭合环状DNA (cccDNA)基因组。有趣的是,这种结合在病毒基因组中HBx的表达消失后会增强,证明了HBx在Spindlin1结合至HBV基因组中的抑制作用。虽然减少Spindlin1实际上导致HBV cccDNA中H3K4me3水平明显增加,Spindlin1似乎并非通过H3K4me3结合至HBV cccDNA。研究结果表明Spindlin1通过结合至HBV cccDNA抑制H3的转录后修饰,从而与活性转录基因相关联。 Spindlin1对HSV-1 RNA的转录也呈现类似的抑制效应。
  • 《研究揭示m6A RNA表观遗传修饰对成年小鼠造血干细胞静息状态的调控作用》

    • 来源专题:中国科学院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2018-10-13
    •         7月13日,国际学术期刊Cell Research 在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周波研究组和四川大学龚玉萍研究组合作的最新研究进展Mettl3–Mettl14 methyltransferase complex regulates the quiescence of adult hematopoietic stem cells。该工作首次揭示了m6A RNA表观遗传修饰在成体造血干细胞(HSC)自我更新中的关键作用。   m6A(N6-甲基腺嘌呤)是最常见、最丰富的真核生物mRNA转录后修饰之一。它是由甲基转移酶复合体Mettl3-Mettl14(及其辅助亚基WTAP)催化完成的。目前,m6A的生物学功能已受到广泛关注,也成为HSC及白血病研究的热点。在过去的工作中,科学家们发现Mettl3-Mettl14介导的m6A能够促进急性髓性白血病的发展并维持白血病起始细胞。在斑马鱼和小鼠中,Mettl3的敲低能够阻断胚胎发育过程中的内皮-造血转变,从而抑制pre-HSCs的产生。出乎意料的是,在E10.5胎儿中敲除Mettl3并不影响造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的数量或功能,这提示m6A在早期发育过程中对于HSC自我更新是不必要的。然而,过去的工作并没有揭示m6A在成体HSC自我更新中的作用。   周波及龚玉萍课题组发现,在成年小鼠骨髓中,利用Mx1-cre诱导敲除Mettl3可导致HSC数量的显著性增长,然而,竞争性移植实验以及二次移植实验的结果显示,Mettl3敲除显著降低了供体来源的血液细胞在受体小鼠中的嵌合率。利用BrdU标记实验,他们发现Mettl3敲除的HSC快速增殖,不再处于正常的静息状态。因此,尽管Mettl3敲除增加了HSC的数量,但HSC的功能受到了抑制。另一方面,Mettl14条件性敲除小鼠表现出与Mettl3敲除小鼠相似的表型,但表型明显偏弱,而Mettl3/Mettl14双敲小鼠则表现出与Mettl3单敲相同的表型,这表明Mettl3-Mettl14复合物在HSC中的功能主要由Mettl3介导。   相对于其它成体干细胞,HSC的研究有着更为成熟的表型鉴定标准(12种以上抗体组合流式细胞分析)和更为严格的功能检测标准(移植致死性辐照后小鼠),因此,HSC一直被作为成体干细胞的“范例”来研究新基因、新通路在干细胞中的作用功能。周波及其合作课题组的这项研究,不仅对HSC自我更新的研究有着重要的意义,同时也将引领m6A在其它成体干细胞中的功能研究。   另一方面,m6A的修饰过程在体内是动态可逆的,它的功能发挥不仅受到甲基转移酶复合体Mettl3-Mettl14(及其辅助亚基WTAP)的调节,同时还受到去甲基酶(FTO和ALKBH5)和相应的阅读器(YTHDF或YTHDC等)协同调控。这些去甲基化酶或者阅读器在HSC功能调控中发挥的功能与Mettl3-Mettl14复合物有何异同,也有待科学家们进一步的勘探。   硕士一年级研究生姚颀是论文的第一作者,桑丽娜和林明辉是论文的共同第一作者,周波和龚玉萍是该项工作的共同通讯作者。该工作得到了中国科学院战略先导项目、科技部干细胞及转化研究重点研究计划和国家自然科学基金委的经费支持。