Dev. Cell | 俞皓团队揭示植物m6A修饰的动态变化特征及其多重调控网络

责编 | 王一

N6-甲基腺苷(N6-Methyladenosine,m6A)，即RNA分子腺嘌呤第6位氮原子上发生甲基化修饰，是几乎所有生物表观转录组中最常见的内部修饰之一，在生长发育和组织分化中具有重要作用。m6A修饰由进化上保守的m6A甲基转移酶复合体 (Writers) 写入，通过特定的去甲基化酶 (Erasers) 擦除实现其在体内的动态平衡及可逆变化，并由识别蛋白 (Readers) 识别从而发挥相应生物学功能。经过十几年研究证实，m6A修饰具有高度可逆性和动态性，m6A甲基转移酶复合体和去甲基化酶在不同组织类型或外部环境条件下，表现出特定的细胞定位、表达模式和翻译后修饰，从而影响m6A修饰的重编程 (Shen et al., 2023)。这些发现也引出了一些关键问题，例如m6A修饰如何影响不同组织和器官发育的可塑性和复杂性；m6A修饰如何解读不同类型和程度的外部刺激并整合内部生理信号，从而实现外部刺激诱导的灵活响应；m6A修饰如何综合内部和外部信号实现高度动态可逆的分子调控。

近日，新加坡国立大学俞皓教授研究组在Developmental Cell在线发表了题为Defining context-dependent m6A RNA methylomes in Arabidopsis的研究论文，以模式植物拟南芥为载体，采集不同发育阶段以及各种处理条件下的组织样本，利用优化的链特异性RNA甲基化 (m6A) 免疫共沉淀高通量测序 (meRIP-seq) 技术以及免疫共沉淀-质谱 (IP-MS) 技术，揭示了m6A修饰在植物发育中动态变化的特征图谱，构建了m6A修饰响应外部刺激的调控网络，并提出m6A修饰根据内部生理信号和外部环境刺激进行快速响应的多重分子调控机制。

该研究首先根据m6A修饰信号对拟南芥组织样本进行主成分分析(PCA)，发现m6A修饰能够清晰地反应不同类型的组织样本(如根，叶，果实等)在形态和生理上的相似性或差异性，同时能够区分同一类型组织样本的不同发育阶段。这表明不同组织样本中具有独特的m6A修饰特征。值得注意的是，PCA分析显示，虽然m6A甲基化组和转录组对这些组织的聚类模式相似，但它们各自表现出独特的特征，因此m6A修饰可以作为相异于转录组的植物发育谱系的生物标志物(Biomarker)。此外，通过对拟南芥进行外部环境刺激（热胁迫或冷胁迫处理），以及复苏实验，发现外部刺激引起了m6A甲基化组的重新编程，当刺激解除时触发了m6A甲基化组的可逆重编程。m6A修饰可以通过整合胁迫响应和各种植物激素(特别是生长素、茉莉酸和脱落酸)相关信号通路，以适应复杂的外部环境变化。

图1 m6A修饰在植物发育中动态变化特征及其多重调控分子机制

进一步研究表明，m6A修饰可通过多重分子调控的方式响应内部和外部信号。首先，组织特异性m6A修饰对转录本有负调控作用，然而组织保守性m6A修饰正调控转录本，并促进mRNA翻译。这表明，不同组织中携带m6A的转录本具有不同的分子命运，并与相关的生物学结果密不可分。其次，m6A甲基化组重新编程的程度受外部环境刺激强度和类型的影响。再次，m6A共甲基化模块与m6A调控因子包括m6A甲基转移酶、去甲基化酶、识别蛋白，RNA结合蛋白(RNA-binding proteins，RBPs)以及其它已报道的m6A调控蛋白的相关性分析表明m6A不同调控因子具有丰富的调控模式。例如，不同的m6A甲基转移酶和去甲基化酶对目标转录本的m6A修饰同时具有协同和拮抗作用，这种对转录本m6A修饰的滴定效应有助于增强植物对复杂环境的适应能力。另外，m6A甲基转移酶复合体的主要组分，包括mRNA adenosine methylase A (MTA)、mRNA adenosine methylase B (MTB)和FKBP12 INTERACTING PROTEIN 37KD (FIP37)，与RBPs存在广泛的相互作用，并表现出多样化的调控模式，表明RBPs在参与调控m6A修饰的写入、擦除、和识别过程中具有重要作用。因此，m6A修饰的多重分子调控机制相互整合和协调，以响应多种发育信号和外部刺激，在此过程中，各种m6A调节因子的滴定效应及其与RBPs的相互作用构成了植物m6A修饰调控网络的重要组成部分。

综上所述，该研究首次整合分析了拟南芥在不同发育和环境背景下的m6A图谱，不仅为理解植物中RNA甲基化修饰的高度动态可逆过程及其潜在的调控机制提供了新见解，也为作物育种遗传改良的实践应用提供了新思路。

新加坡国立大学俞皓院士为通讯作者，俞皓课题组的张斌博士和张松瑶博士为论文共同第一作者，吴昱瑾博士，李燕博士，孔令瑶博士，吴然然博士，赵铭和刘炜博士参与了本项研究。该研究得到了新加坡国立研究基金会、新加坡国立大学和淡马锡生命科学研究院的支持。

参考文献：

Shen, L., Ma, J., Li, P., Wu, Y., and Yu, H. (2023). Recent advances in the plant epitranscriptome. Genome Biol. 24, 43.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.06.012