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rna修饰研究进展(RNA的化学修饰)

发布时间:2022-02-07 10:19:03 阅读:14712次 来源:生物通

  表观转录组学越来越受到科学家们的重视,成为了近来兴起的热门领域之一。迄今为止,在RNA上已发现了170多种化学修饰[1]。

  2016年的最后一天,Nature Methods赶着发布了2016年度技术,不少人认为当年的年度技术一定是大火的CRISPR技术,然并卵,对于颇具前瞻性的年度技术盘点来说,一个并不常见的名词:Epitranscriptome analysis(表观转录组学)才是正解。

  Epitranscriptome analysis这个名称是由希腊语“epi”作为前缀,指的就是除开已知功能或遗传性,任何添加到核苷酸上的修饰。几十年来,科学家们几乎都没有注意到RNA修饰,因为早在上个世纪60年代和70年代RNA上的标记就被发现了,但是大家只关注于tRNA和rRNA,以及DNA上的表观遗传修饰。

  但随着科学家们发现了出现在所有RNA种类中的化学标记,动态添加或者去除这些标记的“Reader写手”和“Eraser橡皮擦”,重新点燃了对RNA修饰的兴趣。例如,从腺嘌呤上去除一个甲基基团的酶,与阿尔茨海默症患病风险之间的关联,表明了这种修饰在神经健康方面扮演了重要调节作用。

  由此表观转录组学越来越受到科学家们的重视,成为了近来兴起的热门领域之一。迄今为止,在RNA上已发现了170多种化学修饰[1]。这些修饰大量分布在非编码RNA(ncRNA),特别是rRNA, tRNA和snRNA上,为ncRNA在翻译与剪接中发挥正常功能所必需。令人兴奋的是,研究人员发现m6A(N6-methyladenosine),m1A(N1-methyladenosine),m5C(5-methylcytidine),hm5C(5-hydroxylmethylcytidine),I(inosine)以及ψ(pseudouridine)等化学修饰也分布在真核生物mRNA上,影响mRNA的代谢与功能。特别是伴随着许多mRNA修饰酶(Writer)、去修饰酶(Eraser)和修饰识别蛋白(Reader)的新发现,mRNA化学修饰的可逆变化与动态调控重新激起了研究人员的兴趣。

mRNA化学修饰

  表观转录组学研究范围

  表观转录组学(epitranscriptomics,又称“RNA表观遗传学”)是指转录后 RNA 修饰,这些修饰给转录组带来了功能相关的变化。表观转录组修饰包括几个重要的 RNA 加工事件,包括 RNA 编辑、甲基化和剪接(图二)。

表观转录组学研究范围

  从是否编码蛋白质来说,RNA可以分为编码RNA(coding RNA)修饰和非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)两大类。前者就是指mRNA,后者则包括很多种类,如众所周知的tRNA和rRNA,参与RNA修饰的snoRNA等。

  mRNA修饰研究最多的就是m6A 修饰,早在 20 世纪 70 年代,科学家们就在 RNA 中发现了 m6A 修饰,随后越来越多的研究证明m6A 修饰的重要性:m6A 修饰和 mRNA 的稳定性、剪接加工、翻译以及 microRNA 的加工有关;m6A 还和干细胞命运、生物节律相关,可以促使干细胞从自我更新状态转向细胞分化,研究人员发现,甲基化会缩短 mRNA 的半衰期,减少其丰度。可以说,m6A 修饰几乎影响 RNA 代谢的每个步骤。

  而近年来,随着研究的深入,不少研究工作也从mRNA转为关注非编码RNA的甲基化对于疾病发生发展过程的重要作用,发现非编码RNA的m6A甲基化会在干细胞分化、癌细胞增殖等过程中起关键作用。同mRNA一样,lncRNA上也存在着多种化学修饰,m6A甲基化对于lncRNA来讲,可以调控lncRNA二级结构,lncRNA结合蛋白,以及lncRNA的ceRNA机制,靶基因的m6A修饰。

  此外还有环状RNA上m6A修饰,这能影响circRNA和RNA结合蛋白(RBP)之间的相互作用,以及标记内源RNA,从而将其与外源RNA区分开,避免被自身免疫系统识别攻击。

  Small RNA,例如microRNA,tRNA来源小RNA(tsRNA,包括tRF&tiRNA)等,其RNA分子上具有多种不同的修饰,这些修饰一方面能够调控small RNA的活性,另一方面也可以赋予它们新的功能。已知这些RNA修饰通过多种分子机制来发挥功能,如RNA修饰可以改变miRNA的靶向性或改变tsRNA(tRF&tiRNA)与RNA结合蛋白的亲和力,进而发挥生物活性等。Small RNA修饰谱分析是表观转录组学研究的新前沿,具有重要的科学意义和临床价值。

  RNA 修饰领域最重要的成就

  对于迄今为止RNA修饰领域最重要的成就,康奈尔大学Samie R. Jaffrey教授认为,“第一个用于绘制 m6A全转录组方法可能是表观转录组学领域中最重要的事件,现在已经被复制用于其他几种核苷酸修饰。 在全转录组作图之前,通过使用质谱法或其他分析测量检测水解 RNA 中修饰的核苷酸,发现修饰的核苷酸。这些方法是模棱两可的,尤其是对于低丰度的修饰:即使你有一个高纯度的 mRNA 制剂,你还是担心微量的污染转移 RNA (tRNA) 或核糖体 RNA (rRNA) 可能是修饰的来源。这使得很难确定修饰的核苷酸是否来自 mRNA。”

  以色列特拉维夫大学医学院的Gideon Rechavi教授则表示,“在我看来,该领域的主要成就是通过mRNA 修饰揭示了一个新的、复杂的、高度敏感的、可调节的基因表达调控层。这一新的调控层利用了mRNA 的独特特性——即它是短暂的、高度结构化的、在细胞区室之间移动并通过转录放大的。这些影响部分是由“阅读器”介导的,例如甲基特异性结合蛋白,它的鉴定是修饰领域的一个里程碑。基因表达的调节也通过“写手”和“橡皮擦”的修改安装和删除之间的相互作用进行调整。在过去的十年中,出现了几个重要的教训。首先,mRNA 修饰非常普遍,数千个基因转录本被修饰。有趣的是,一些修改聚集在特定的转录位置;例如,肌苷主要存在于重复的 Alu 序列中,m6A 优先修饰终止密码子附近和内部外显子、 AUG 起始密码子周围的 m1A 簇,这表明每个修饰通过不同的模式起作用行动。此外,一些修饰,如 m6A 和 m1A,在人和小鼠之间表现出高度的保守性。

  另一个重要的成就是发现特定的修改可以通过不同的行为模式,通过不同的读取,依赖于上下游。还有一个重要发现是一些 mRNA 修饰的动态特性,可以对环境刺激做出快速反应; m6A 和 m1A 已经证明了这种动态特性。 mRNA 修饰的核心作用体现在异常修饰对人类和小鼠早期发育以及人类癌症、炎症和神经变性的破坏性影响,进一步强调了这一调节层的重要性。”

  东京大学的Tsutomu Suzuki教授表示,“以前关于 RNA 修饰的生化研究主要集中在经典的非编码 RNA,包括 tRNA、rRNA 和小核 RNA (snRNA),因为这些RNA 在细胞中含量丰富。然而,最近,使用 NGS 技术对 RNA修饰进行全转录组分析已定出几种碱基修饰,包括 mRNA 中的肌苷 (I)、m6A、m5C、Ψ 和 m1A 以及长链非编码 RNA。这反过来这大大拓宽了表观转录组的概念。

  在过去的十几年中,通过反向遗传学和质谱法,科学家们识别出了埋藏在模式生物基因组中的RNA 修饰酶。使用这种方法,我们成功鉴定了 40 个RNA 修饰基因。

  还值得一提的是,与疾病相关的外显子组测序有助于解析RNA 修饰酶突变如何引发了许多人类疾病。”[5]

本文链接:https://www.zjby-biotech.com/news/hydt/789.html

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