Science Advances | 中科院分子植物卓越中心研究团队揭示RNA去甲基化酶促进逆转座子转座的机制

转座子是普遍存在于真核生物基因组的遗传元件，可以从染色体的一个位置移动到另一个位置从而改变其拷贝数，这一行为被称为“转座”。当转座子的转座不受控制时，往往会破坏基因的功能，造成基因组的不稳定性。正常情况下， 宿主通过 DNA 甲基化和组蛋白修饰沉默转座子；而在环境胁迫下，环境压力可以释放转座子的转录抑制，而转座子的转座又会增加遗传多样性，成为生物进化的驱动力之一。其中，一个典型例子便是拟南芥中的逆转录转座子 Onsen 在热激条件下被转录激活，然后通过逆转录产生染色体外线性 DNA 并插入基因组【1】。

近年来，m6A 甲基化修饰作为植物科学领域的研究热点之一，其主要研究方向集中于植物生长和发育，而关于 m6A 甲基化修饰对转座子的转座调控机制的研究仍鲜有报道。

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心、中国科学院-英国约翰英纳斯中心、植物和微生物科学联合研究中心Jungnam Cho研究组在Science Advances发表了题为“m6A RNA demethylase AtALKBH9B promotes mobilization of a heat-activated long terminal repeat retrotransposon in Arabidopsis”的研究论文，为RNA去甲基化酶促进逆转座子转座提供了重要例证。

该研究围绕m6A去甲基化酶AtALKBH9B【2】对拟南芥中著名的热激活逆转录转座子Onsen 的转座调控机制这一科学问题展开。作者首先发现在热激条件下 Onsen 转录本含有 m6A 甲基化修饰。通过深入研究， 发现热激条件下 atalkbh9b 突变体中，Onsen RNA 的表达量和其 m6A 甲基化修饰水平均显著提高，表明 AtALKBH9B以 m6A 去甲基化酶 的角色参与了 Onsen 的转录后修饰调控。而已有研究表明AtALKBH9B参与了植物中病毒RNA的去甲基化过程【2】，且调控ABA响应【3】。有趣的是，热激条件下 atalkbh9b 突变体中 Onsen eclDNA 的表达水平和其子代中 Onsen 的拷贝数都显著降低，说明 m6A 甲基化修饰的提高反而降低了 Onsen 的转座效率，即m6A 甲基化修饰抑制 Onsen 的转座。

为了阐释上述不寻常现象的具体机制，作者关注到在热激条件下 AtALKBH9B 可以定位在应激颗粒（Stress Granules, SGs） 中，且可以和许多SG组分，如 ECT2 互作。其次作者通过 m6A 斑点杂交印迹实验和纳米孔RNA直接测序证实在 atalkbh9b 突变体的 SGs RNA 含有 m6A 甲基化修饰。此外，SG- RNA seq 分析和定量 PCR 验证表明 Onsen RNA 同样显著富集在 SGs 中。以上间接说明在热激条件下 atalkbh9b 突变体中含有 m6A 甲基化修饰的Onsen RNA 被“扣押”在 SGs 中，以致影响其转座效率。

研究者通过荧光偏振和RNA 免疫沉淀实验，发现含有 m6A 甲基化修饰的 Onsen RNA 与蛋白 GAG 的结合能力显著降低。与此同时，体外转录以及定量 PCR 实验数据说明含有 m6A 甲基化修饰的 Onsen RNA 的反转录效率显著降低。至此证明，m6A 甲基化修饰将阻碍 Onsen RNA 参与类病毒颗粒（Viruslike particle, VLP）的组装以及反转录过程，最终导致 Onsen 转座效率降低。

为此该研究揭示了SG定位的AtALKBH9B选择性地去甲基化Onsen RNA，从而使其摆脱空间位阻，最终完成转座的证据；且m6A RNA甲基化可通过阻碍VLP组装和减少eclDNA产生来抑制转座子转座。综上，该研究揭示了m6A甲基化修饰在抑制转座子转座中的一个前所未知的角色，并提供了转座子如何通过宿主RNA去甲基酶来对抗m6A介导的抑制机制的新视角。

左图：m6A 修饰的 Onsen RNA 定位于 SG中， ALKBH9B使其去甲基化并从 SG 中释放 Onsen RNA。去甲基化的 Onsen RNA组装到 VLP中，并进一步反转录形成 eclDNA。右图：在 AtALKBH9B 突变体中，Onsen RNA 高度甲基化并被“扣押”在 SG；且RNA甲基化抑制VLP的组装和Onsen RNA逆转录。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jungnam Cho研究员为论文通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心已毕业博士生范文文为论文第一作者，已毕业博士生王令、雷震、博士生李慧和初洁为论文共同第一作者，上海辰山植物园杨俊/王红霞课题组参与了本项目的研究。该研究得到了中国科学院战略先导B项目、国家自然科学基金以及上海市自然科学基金的资助。

Jungnam Cho课题组近年来在植物转座子领域取得了一系列的进展，包括转座子翻译后调控（Kim et al., Nature Plants, 2021）、 逆转座子报告系统(Chu et al., Plant Physiology, 2023)、PopRice eclDNA作用（Chu et al., Plant Physiology, 2023）、转座子转录后调控（Wang et al., New Phytologist，2023）等，并发表多篇综述 ( Lei et al., 2021、Fan et al., 2022等) 及主编Plant Transposable Elements: Methods and Protocols (2021)一书。

Jungnam Cho研究员现在英国Durham University任Associate Professor，招收2024年CSC-Durham博士生，欢迎对转座子和表观遗传研究感兴趣的同学加入。

参考文献：

1. Ito H, Gaubert H, Bucher E, et al., (2011). An siRNA pathway prevents transgenerational retrotransposition in plants subjected to stress. Nature, 472 (7341): 115-119.

2. Martínez-Pérez M, Aparicio F, López-Gresa MP, et al., (2017). Arabidopsis m6A demethylase activity modulates viral infection of a plant virus and the m6A abundance in its genomic RNAs. PNAS, 114 (40): 10755-10760.

3. Tang J, Yang J, Lu Q, et al., (2022). The RNA N6-methyladenosine demethylase ALKBH9B modulates ABA responses in Arabidopsis. JIPB (12): 2361-2373.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf3292