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表观遗传“淘金热”袭来 DNA 和 RNA 再发现改变相关领域
作者:   来源:中国科学报   发布者:左丽媛   日期:2017-04-13   今日/总浏览:1/430

经过多年在黑暗中的摸索之后,我们突然看到了宽阔的远景。

图片来源:Illustration by Nik Spencer/Nature

一些奇思妙想似乎会突然冒出来,不过 2008 年,Chuan He 却有意地寻找这样一个想法。美国国立卫生研究院当时刚刚启动资金支持高风险、高影响项目,伊利诺伊州芝加哥大学化学家 He 打算申请。不过,他首先需要一个好的领域。

他一直在研究修复损伤 DNA 的蛋白家族,他开始怀疑这些酶可能也会对 RNA 产生作用。运气使然,他遇到了分子生物学家 Tao Pan,后者一直在研究出现在 RNAs 上的叫作“甲基团”的特殊化学标记。两人在芝加哥大学同一所大楼里工作,于是开始频繁会面。通过谈话,他们的“大想法”成形了。

那时,生物学家正开始对表观遗传——修饰 DNA 及其蛋白折叠的一系列化学标记——变得兴奋。这些标记发挥着类似化学符号的作用,告诉细胞让哪些基因表达又让哪些基因保持静默。如此,表观遗传有助解释拥有类似 DNA 的细胞如何发展为大量不同的组织。

当 He 和 Pan 开始一起工作之时,绝大多数表观遗传学研究仍聚焦于 DNA 及其包括的组蛋白相关的标签。科学家在 RNA 上鉴定出了 100 多种不同的化学标记,没人知道它们是做什么的。He 当时研究的一些酶会剥落甲基团,He 和 Pan 好奇其中之一是否可在 RNA 上产生作用。如果该标记可以被逆转,那么它们可能形成了控制基因表达的一种全新方式。2009 年,他们得到资助搜寻 RNA 上的可逆转标记以及清除它们的蛋白。

9 年后,类似研究已经形成自己的领域——表观转录组。He 和其他人发现,附着到 RNA 的 4 个碱基之一腺嘌呤的一个甲基团在细胞分化中具有重要作用,并可能会导致癌症、肥胖以及更多疾病。2015 年,He 的实验室和另外两个团队在 DNA 腺嘌呤碱基上发现了同样的化学标记,表明表观基因组可能比此前想象的更丰富。研究已经启动。“我认为我们正在接近表观遗传学和表观转录组研究的黄金时代。”纽约市威尔康乃尔医学院遗传学家 Christopher Mason 说,“我们实际上可以看见数十年前就已经知道存在的所有这些修饰。”

标记信使

分子生物学的调节规则——中心法则认为,信息会从 DNA 流向信使 RNA(mRNA),之后再流向蛋白。很多科学家因此认为 mRNA 只不过是一个“通讯员”,将细胞核内编码的遗传信息携带至细胞质内的蛋白工厂。这是为什么很少有研究人员关注 mRNA 修饰的一个原因。

不过,这并非什么秘密。推动 He 走到表观转录组研究前沿的标记于 1974 年首先在 mRNA 上被发现。东兰辛密歇根州立大学有机化学家 Fritz Rottma 和同事写道,RNA 甲基化可能是挑选某种转录组转译为蛋白的一种渠道。“但那全都是猜测。”1974 年那篇文章的作者、密歇根州立大学遗传学家 Karen Friderici 说。该团队没有好的方法研究该标记的真正功能。“那是分子生物学的开端。当时我们没有现在可获得的足够工具。”她说。

30 多年后,He 和 Pan 发现相关工具仍旧缺乏。“很难真正研究这些修饰。”Pan 说。它需要强大的质谱仪和高通量测序技术。

当时,He 实验室的两名成员 Ye Fu 和 Guifang Jia 却千方百计地向前推动,他们聚焦一个叫作 FTO 的蛋白,这是 He 的团队曾经研究的甲基剥离酶家族的一部分。两人认为它可能会去除 RNA 上的甲基团,于是便设法鉴定其目标。Fu 和同事开始合成包括不同修饰的 RNA 片段,以决定 FTO 是否可以去除它们。这一研究进展缓慢。Fu 说,3 年的研究中,该团队面临着一系列的失败,“我几乎认为可能永远不会找到该功能”。

最终,2010 年,该团队决定验证 FTO 在 m6A(甲基腺嘌呤)上的活性。该标记消失了。该团队首次表明 RNA 甲基化是可逆转的,就像那些在 DNA 和组蛋白上发现的标记一样。对 He 来说,它似乎是基于 RNA 的基因调控系统的证据。

证据积累

He 的团队并非考虑到 m6A 的唯一团队。2012 年,两个独立研究团队发表了 m6A 出现位点的首批图像。两项研究揭示了约 7000 个基因 mRNA 上的超过 1.2 万个甲基位点。“经过多年在黑暗中的摸索之后,我们突然看到了宽阔的远景。”其中一篇文章作者 Dan Dominissini 在发表于《科学》的评论中说。

图像表明,m6A 的分布并不是随机的。其位置表明该标记可能在 RNA 转录物可变剪接中拥有一定角色,这一机制让细胞产生来自单个基因的一个蛋白的多个版本。

过去数年,研究人员已经鉴定出参与调解这些标记的一些机制。随着这些蛋白身份的显现,每个都需要一个转录器安置它、一个橡皮擦清除它以及一个阅读器解释它,科学家已经了解到 m6A 不仅会影响 RNA 拼接,还有转译及其稳定性。

m6A 是否会指引一个细胞产生蛋白还是破坏一个转录物,取决于该标记的位置以及与其结合的阅读器。但以色列特拉维夫大学参与绘制 m6A 的遗传学家 Gideon Rechavi 说,了解这一选择如何进行一直是一项重要挑战。

清楚的是 m6A 在细胞分化中发挥着重要作用。缺乏该标记的细胞会处于类似干细胞或祖细胞的状态。这可能是致命的,当 He 与同事让小鼠体内的 m6A 编写器失去功能后,很多胚胎在子宫内死亡。

He 对 m6A 可能的角色做了解释。每次一个细胞从一个状态转变为另一个状态时,如分化,其内部的 mRNA 一定也会改变。这会改变 mRNA 的内容,He 称其为转录开关,它需要精确和仔细的定时。He 认为,甲基标记可能是细胞让数千个转录物的行为同步化的一种方式。

第五碱基

尽管科学家一直都知道 RNA 携带了大量装饰其全部 4 个碱基的修饰,但哺乳动物 DNA 似乎只有少量标记,且所有都在胞核嘧啶上。哺乳动物中最常见的修饰 5 - 甲基胞嘧啶(5mC)非常重要,它通常被看作 A、C、T 和 G 之后的“第五个碱基”。He 想知道基因组中是否藏有其他标记。细菌携带着 m6A 的 DNA 对等物——N6- 甲基腺嘌呤(6mA)。“它们用甲基化区分其自己的 DNA 和外来 DNA。”马萨诸塞州波士顿儿童医院生化学家 Eric Greer 说。但研究人员很难在更复杂的有机体中确定它的存在。

2013 年,He 的博士后 Fu 和 Guan-Zheng Luo 决定进一步开展研究,绘制海藻衣藻 END 中 6mA 的分布。他们在超过 1.4 万个基因中发现了它。而且其分布并不是随机的:6mA 簇拥在转录物开始的地方。“我们看到周期性的波峰。就像一个波峰连接着一个波峰。”Fu 说。他们推理说,它可能在促进基因活化。

在距离波士顿约 2000 公里的地方,Greer 与同事在秀丽隐杆线虫的基因组中也发现了 6mA 的存在。此外,其水平似乎在生育力较低的代际中更高。这一结果令人吃惊。研究人员曾在多细胞有机物中寻找 6mA,但因为其水平过低而未能发现。

耶鲁大学表观遗传学家 Andrew Xiao 读到这篇文章后很兴奋。当年,该团队和英国剑桥大学古尔登研究所的 John Gurdon 带领的另一个团队发现,6mA 在小鼠和人类等多个脊椎物种中拥有极低水平。

“他的论文绝对是一枚炸弹。”威尔康乃尔医学院研究人员 Samie Jaffrey 说,“它真正展示了 6mA 的功能角色。”He 和 Shi 均表示还在哺乳动物细胞内发现了 6mA,但尚未发表研究成果。

Shi 表示,目前 6mA 的重要性尚不清楚。他指出即便用最新的技术,也仅能探测到修饰的边界,而其精确位置却不能绘制出。而且 6mA 的模式可能会随着组织的不同而改变。仍有很大的问题需要解决。

在一些研究人员深入研究 m6A 和 6mA 的功能时,还有一些人在寻找新的修饰。“我们尚处于这个故事的开端。”Rechavi 说。随着技术的提高,科学家将能够更加清晰地看到这些标记。他说,研究可能性的丰富程度让 Mason 觉得“愉快”。“现在好像是在这一领域工作最激动人心的时刻。”

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