表观遗传“淘金热”袭来 DNA 和 RNA 再发现改变相关领域

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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
' P0 z; |! R$ J+ _0 C来源:中国科学报 / 作者:晋楠 / 2017-04-136 |8 v5 j! m3 Z/ v/ C# G
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。. X! S  D( K0 O' c& O
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图片来源：Illustration by Nik Spencer/Nature* ]! r9 `' @9 y' p* Z2 ~! H# ]" n
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。) P$ u- D! z( a$ d( [0 C5 j: |, d
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。
* g& a+ T' c# K) v7 a* Q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。7 e* k) F' s7 _  }. J8 k
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。8 f: W7 j0 b1 d9 Y
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。”# K& N0 @0 B. s# j7 [
标记信使4 p  R' q: L0 X/ x$ m' R
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。, g' w4 n9 b5 R7 k3 Q
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。1 S; i5 ]6 N3 R! n) O# e
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。
7 R9 t5 H: e" V$ l$ B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”。2 ]( |( Y$ M7 G* F
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。* x& v1 c% z9 }4 b" J6 ^# i
证据积累
& s" d# G, [1 n" a, z9 g, r; |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。  D2 q  I- N  E+ v
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。* f- j. b( ~; R( a) d# i# {3 U. D# f
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。
3 |4 @+ t# s7 X. R% G9 f: am6A 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。
) Y% c; S$ t7 u# S# \" s' s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。6 E' ~1 G! ~) P6 E! Z# j: G
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。
1 b& e7 t5 m; Q' H% {+ W第五碱基1 Y- b) z  b) y" m* V9 G' ]5 `1 R
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。
) A5 j* x" d8 P8 g# ?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。, Q6 D! K  |8 @5 d0 ~
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。
$ F6 z& Z( i: K6 e9 y4 D! t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。8 m8 f( }- U4 F& L& E9 U& Z7 i
“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。
! x# ]& U: |; \" }' {. i* [( YShi 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。
3 L" c+ Y" l# P! N; b' C( K. A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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