Dev. Cell | 俞皓团队联合华中农大揭示m6A修饰与植物生长素合成之间正反馈调控的新机制

N6-methyladenosine（m6A） 是最常见的真核生物 mRNA化学修饰之一，它通过动态且可逆的方式调控mRNA的稳定性、翻译效率和定位，从而精确调节基因表达，成为转录后调控的核心机制【1, 2】。m6A修饰途径的效应子（effectors）包括甲基化转移酶（writers）、去甲基化酶（erasers）和甲基化读取蛋白（readers），这些效应子在植物发育、 RNA 代谢和环境依赖性应激响应中发挥着重要作用【3-5】。然而，尽管在不同生物体及其各种发育环境中已发现了m6A修饰的分布模式差异，但m6A效应子在不同发育阶段和各种刺激下是否以及如何受到转录调控，仍然缺乏明确的机制。

近日，新加坡国立大学和淡马锡生命科学研究院俞皓院士团队联合华中农业大学在Developmental Cell在线发表了题为Feedback regulation of m6A modification creates local auxin maxima essential for rice microsporogenesis的研究论文，揭示了水稻m6A甲基化转移酶复合体重要成员OsFIP37与生长素生物合成之间的正反馈调控机制，该机制在水稻花药雄性减数分裂过程中对局部生长素最大值的形成起关键作用。

在前期的研究中，俞皓课题组发现水稻 m6A 甲基转移酶OsFIP37 被 RNA 结合蛋白 OsFAP1 招募，介导了生长素生物合成基因 OsYUCCA3 上的 m6A RNA 修饰，从而促进了雄性减数分裂期间生长素的生物合成【5】。在随后的研究中，该研究组利用多组学机器学习框架预测 OsFIP37 的反式调控因子和顺式调控元件 (CRE)，基于基因组靶向染色质纯化系统对 OsFIP37 的反式因子进行鉴定，结果发现，OsFIP37 启动子的CRE 显示出染色质可及性的增加，并识别出了募集 C2H2 锌指蛋白 OsZAF。进一步研究发现，OsZAF 是一种新型转录激活因子，OsZAF 特异性结合位于 OsFIP37 启动子特定的 CRE，并在水稻小孢子发生过程中特异性上调 OsFIP37 和生长素水平。此外，研究发现OsZAF 功能的缺失会影响 OsFIP37 的表达及其在 OsYUCCA3上的 m6A 修饰，从而影响局部生长素最大值并导致花药中小孢子母细胞减数分裂严重缺陷。而OsFIP37 的上调能挽救Oszaf-1 的花药和减数分裂缺陷，同时恢复减数分裂阶段花药中的 m6A 水平和 OsYUCCA3的表达，证实了OsFIP37 作用于 OsZAF 的下游，介导了 m6A 修饰和 OsYUCCA3 mRNA 的稳定。该研究组进一步发现，OsZAF的表达受到水稻生长素反应因子 OsARF12的特异性调控，OsARF12 通过正向调控 OsZAF，并随后影响 OsFIP37 和 OsYUCCA3 的表达，其调控过程与花药中生长素水平密切相关。由此形成的正反馈回路促成了从母体孢子体向雄配子体转变所需局部生长素最大值的建立。

与这些现象相对应，OsARF12、OsZAF、OsFIP37和OsYUCCA3的功能缺失突变体在小孢子发育过程中都呈现类似的减数分裂缺陷和雄性不育特征，而另一方面，OsYUCCA3和OsZAF的上调分别可以挽救Oszaf-1和Osarf12-2突变体的减数分裂和雄性不育缺陷。这些研究结果表明，OsZAF特异性激活OsFIP37 的表达是OsFIP37 促进 OsYUCCA3 的 m6A 修饰和稳定的关键环节。同时，OsARF12通过正向调控 OsZAF形成正反馈回路，从而持续激活 OsFIP37，促进花药生长素的生物合成并达到生长素的最大值。

图1：m6A修饰与植物生长素合成之间的正反馈调控影响水稻雄性减数分裂的分子模型

综上所述，该研究首次阐明了 m6A 甲基化转移酶如何受到转录调控，并通过在选定靶标上的 m6A 甲基化修饰，介导多细胞真核生物中的关键发育过程。同时，该研究还阐明了 m6A RNA修饰和生长素生物合成之间的正反馈调控是决定雄性减数分裂过程中花药局部生长素最大值的关键调控机理。此机制对植物从二倍体生殖细胞向单倍体配子转变这一基本过程起到了决定性作用。这些发现不仅为 m6A RNA 修饰的调控功能提供了新的见解，还为RNA修饰在作物育种和遗传改良中的实际应用提供了关键的基因资源和理论依据。

新加坡国立大学俞皓课题组的程鹏博士和华中农业大学植物科学技术学院赵虎研究员为论文共同第一作者，张松瑶博士、四川大学李骋翔教授、华中农业大学谢为博教授参与了本项研究，赵虎研究员和俞皓院士为共同通讯作者。本研究项目得到了新加坡国立研究基金会、新加坡食品局、新加坡国立大学、淡马锡生命科学研究院、湖北省自然科学基金和人社部博士后国际交流计划派出项目的支持。

参考文献

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

【2】 Shao, Y., Wong, C.E., Shen, L., and Yu, H. (2021). N6-methyladenosine modification underlies messenger RNA metabolism and plant development. Curr. Opin. Plant Biol. 63, 102047.

【3】Zhang, B., Zhang, S., Wu, Y., Li, Y., Kong, L., Wu, R., Zhao, M., Liu, W., and Yu, H. (2024). Defining context-dependent m6A RNA methylomes in Arabidopsis. Dev. Cell 59, 2772-2786.

【4】 Wu, X., Su, T., Zhang, S., Zhang, Y., Wong, C.E., Ma, J., Shao, Y., Hua, C., Shen, L., and Yu, H. (2024). N6-methyladenosine-mediated feedback regulation of abscisic acid perception via phase-separated ECT8 condensates in Arabidopsis. Nat. Plants 10, 469-482.

【5】Cheng, P., Bao, S., Li, C., Tong, J., Shen, L., and Yu, H. (2022). RNA N6-methyladenosine modification promotes auxin biosynthesis required for male meiosis in rice. Dev. Cell 57, 246-259.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.12.034