基因與基因體學 科學報導 表觀遺傳學

FTO 調控 snRNAs 之可逆性甲基化修飾

待解的謎題

  RNA的表觀遺傳學 (RNA epigenetics) 或稱表觀轉錄組學 (epitranscriptomics) 是近十年逐漸興起的領域,主要探討 RNA 的修飾與相關的生理機制作用。許多種類型的 RNA 修飾可發生在體內各種類的 RNA 上,包含 mRNA、rRNA、tRNA、snRNA 等。其中最為常見而廣為人知的,便是發生在 RNA 的 m6A (N6-methyladenosine) 上的甲基化修飾作用,過去的研究發現 m6A 參與了轉錄作用的 RNA splicing、影響 RNA 穩定性等功能;近幾年許多重大的研究成果都在探討與 m6A 修飾相關的酵素與相關機制。

  在參與 RNA 修飾的相關因子中,FTO (Fat mass and obesity-associated protein) 這個基因最初被發現與肥胖相關,但科學家一直不清楚其主要機制,直到最近才發現他是一種負責修飾 RNA 的去甲基化酶。RNA 修飾是表觀遺傳學的研究重點,但對於 FTO 在 RNA 修飾作用所扮演的角色,及其作用受質在近年不同的研究成果中仍眾說紛紜。

圖片說明:m6A 修飾之可能機制與關聯的生理作用;圖片來源:Deng, X., Su, R., Weng, H., Huang, H., Li, Z., & Chen, J. (2018). RNA N6-methyladenosine modification in cancers: current status and perspectives. Cell Research, 28(5), 507-517. doi:10.1038/s41422-018-0034-6

圖片說明:與 m6A 相關的多種生理功能; 
圖片來源:Yang, Y., Hsu, P. J., Chen, Y., & Yang, Y. (2018). Dynamic transcriptomic m6A decoration: writers, erasers, readers and functions in RNA metabolism. Cell Research, 28(6), 616-624. doi:10.1038/s41422-018-0040-8

研究主軸

  康乃爾大學 Samie Jaffrey 的團隊於 2017 年的發表的論文認為 FTO 傾向對 RNA 中的 m6Am (N6, 2-O-dimethyladenosine) 而非 m6A 進行去甲基化的作用,而此作用會進而降低 m6Am mRNA 的穩定性 [1]。今年二月份,於 Nature Chemical Biology 期刊上發表的研究再度指出,FTO 調控了小核 RNA (small nuclear RNA, snRNA) 中 m6Am 的可逆性甲基化 [2]。

圖片說明:m6A 與 m6Am 之結構差異; 圖片來源:Du, K., Zhang, L., Lee, T., & Sun, T. (2018). m6A RNA Methylation Controls Neural Development and Is Involved in Human Diseases. Molecular Neurobiology, 56(3), 1596-1606. doi:10.1007/s12035-018-1138-1

研究背景

  snRNA 為真核生物中為數最多的一類非編碼 RNA (non-coding RNA),具有高含量的尿嘧啶 (U),因而以之命名為 U1、U2 等。其功能與 RNA 剪切 (RNA splicing) 有關,參與 pre-mRNA 剪接成 mRNA 之過程。

  snRNA 依照序列特性和關聯蛋白質分成兩類,一類是 Sm-class snRNA,由 RNA polymerase II 負責轉錄(主要包含 U1、U2、U4、U4atac、U5 等);另一類是 Lsm-class snRNA,由 RNA polymerase III 負責轉錄(主要包含 U6 和 U6atac)。Sm-snRNA 被轉錄出來後,會形成如同 mRNA 的 N7-methylguanosine (m7G) cap 的結構,作為一個向細胞核外傳輸的訊號,協助自身前往細胞質中加工修飾,並接著與 Sm 蛋白質結合,最終與其他蛋白組合成「小核核醣核蛋白」(small nuclear ribonucleoproteins, snRNPs)。這個過程中,原先的 m7G cap 會被甲基化形成 N2,2,7-trimethylguanosine (TMG) cap,snRNA 的 3’ 端則被切除。最後 snRNPs 會再被送回到細胞核中,組合成剪切體 (spliceosomes) 協助 pre-mRNA 的剪切。而 Lsm snRNAs 則只會待在細胞核中透過外部特殊的啟動子與 RNA polymerase III 進行轉錄。

圖片說明:Spliceosomal splicing cycle;
圖片來源:JBrain. (2007). Splicéosome [CC-by-sa-2.0]. Retrieved from https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Spliceosome_ball_cycle_new2.jpg

研究成果

  Samie R. Jaffrey 教授團隊發現 snRNAs 的生合成與一個可逆的甲基化修飾調控有關,並依照甲基化特性的不同將 snRNAs 分為 m1 isoform(帶有單甲基化的 Am) 和 m2 isoform(帶有雙甲基化的 m6Am),各自對剪接有不同的影響。他們認為 m2-snRNA 為 FTO 主要的結合目標,在生成早期將 m2 轉變回 m1 isoform。

圖片說明:m7G、Am 與 m6Am 之結構;圖片來源:J Mauer et al. Nature 1–5 (2016) doi:10.1038/nature21022 

  研究團隊在抑制 FTO 表現後,透過 miCLIP 技術〔註〕分析轉錄體中包含 m6A 和 m6Am 的 RNA,發現 Sm-snRNA 的變化最為顯著。進一步的分析更發現缺乏 FTO 將會造成剪接體中 Sm-snRNA 的轉錄起始核苷酸 (transcription-start nucleotide) 甲基化增加。此外,研究團隊也以免疫墨點法比較正常和 FTO 缺乏的細胞,發現缺乏 FTO 會使成熟的 snRNAs 甲基化增加。在薄層層析 (thin-layer chromatography, TLC) 的結果中亦顯示,缺乏 FTO 的情況下 m6Am 的上升比 m6A 更為明顯,說明 FTO 主要影響 snRNA 上 m6Am 的去甲基化。而 Lsm-snRNA 則因轉錄起始核苷酸不具有腺嘌呤 (A),因而也不具有 m6Am,是以 FTO 缺乏並不影響該處甲基化程度。但他們認為,因 Lsm-snRNA 也會與 Sm-snRNA 一同組成幾個 snRNPs,FTO 缺乏仍可能間接的帶來影響。

圖片說明:Spilcesomal snRNPs 的組成與 snRNA 的二級結構;圖片來源:Cindy L. Will and Reinhard Luhrmann. (2011). Spliceosome Structure and Function. Cold Spring Harb Perspect Bio, doi:10.1101/cshperspect.a003707

  • 註:miCLIP (m6A individual-nucleotide-resolution cross-linking and immunoprecipitation),為一種分析 RNA 修飾的技術 [3]。

圖片說明:miCLIP 操作流程;
圖片來源:Linder, B., Grozhik, A. V., Olarerin-George, A. O., Meydan, C., Mason, C. E., & Jaffrey, S. R. (2015). Single-nucleotide-resolution mapping of m6A and m6Am throughout the transcriptome. Nature Methods, 12(8), 767-772. doi:10.1038/nmeth.3453

圖片說明:用於檢測 m6A 的表觀轉錄組定序技術 (Epitranscriptomic sequencing);
圖片來源:Suminwei (2017). Methods developed to profile m6A [CC-by-sa-4.0]. Retrieved from https://commons.wikimedia.org/wiki/File:M6A_methods.png

研究總結

FTO 影響 snRNAs 的 m6Am 甲基化修飾,但有何重要性呢?

  在過往的研究中,科學家對於 FTO 參與的 RNA 甲基化修飾之作用受質與機制仍抱持著不同的意見;此篇研究則是轉以 snRNA 為研究目標,為 FTO 參與的可逆甲基化修飾之機制提出了一種新的解釋。然而,關於 FTO 所影響的 snRNA 的 m6Am 甲基化修飾是如何影響其他生理功能,以及 FTO 在其他 RNA 的作用受質與調控機制是否也可能共同參與生理反應調控,都是很值得深入探究的議題,期待未來更多的證據能進一步解決這項謎題。

圖片說明:圖中顯示 mRNA 與 snRNA 的5’ cap 結構[註]。圖片來源:Padgett, R. A. (2019). New roles for old RNA cap flavors. Nature Chemical Biology, 15(4), 317-318. doi:10.1038/s41589-019-0252-3

  • 註:snRNA 的結構中,圖左側連接的鳥苷 (G) 具有三個甲基,會再進一步形成如 mRNA 左側結構的 m7G cap;而本篇研究重點則在於 FTO 可去除 m6Am cap 上的一個甲基 (圖中圈選處之 N6-methyl group),使之轉變為 Am cap,進而調控外顯子的保留。

參考文獻:

  1. Mauer, J., Luo, X., Blanjoie, A., Jiao, X., Grozhik, A. V., Patil, D. P., … Jaffrey, S. R. (2016). Reversible methylation of m6Am in the 5′ cap controls mRNA stability. Nature, 541(7637), 371–375. doi:10.1038/nature21022
  2. Mauer, J., Sindelar, M., Despic, V., Guez, T., Hawley, B. R., Vasseur, J., … Jaffrey, S. R. (2019). FTO controls reversible m6Am RNA methylation during snRNA biogenesis. Nature Chemical Biology15(4), 340-347. doi:10.1038/s41589-019-0231-8
  3. Linder, B., Grozhik, A. V., Olarerin-George, A. O., Meydan, C., Mason, C. E., & Jaffrey, S. R. (2015). Single-nucleotide-resolution mapping of m6A and m6Am throughout the transcriptome. Nature Methods12(8), 767-772. doi:10.1038/nmeth.3453

撰文|高唯真、藍冠鈞
審稿|紀威佑、藍冠鈞

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高唯真

日本東北大學研究所。目前努力適應日本生活以及學習日文,主要專攻癌症方面基因和蛋白質的表達。對於細胞生物方面充滿的熱情及好奇,希望藉由Investigator 能與各不同領域的朋友一起學習交流。

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藍冠鈞

藍冠鈞

交大分醫所碩士班,興趣研究領域為幹細胞與再生醫學、癌症生物學;曾為交大iGEM代表隊成員,並參與生技新創團隊。期許在資訊龐大繁雜的現今,以社群媒體之力量分享與推廣科研領域新知,並凝聚國際與社會之各式議題的關注;並期望於科學研究的同時,不忘社會關懷與國際認知,與各路夥伴前輩一同盡己所能貢獻社會。

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