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導(dǎo)讀
在20世紀(jì)50年代，研究人員首次在酵母中發(fā)現(xiàn)了第一種結(jié)構(gòu)修飾的核苷——假尿苷。隨后，1974年發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物mRNAs的N(6)-甲基腺苷(m6A)修飾。近年來，隨著高通量技術(shù)的發(fā)展，掀起了一股表觀遺傳修飾的研究浪潮。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到RNA甲基化的普遍性和生物學(xué)意義。m1A、m5C、m7G 等RNA修飾也逐漸進(jìn)入人們的視野。由此，RNA表觀遺傳修飾研究領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生。
背景知識(shí)
在了解m7G 之前，不得不先說一下m6A的相關(guān)知識(shí)。m6A影響許多生物學(xué)過程，如pre-mRNA加工、蛋白質(zhì)翻譯啟動(dòng)和mRNA的降解。進(jìn)而會(huì)影響發(fā)育、代謝性疾病、性別分化和腫瘤發(fā)生。最重要的是，發(fā)現(xiàn)m6A去甲基酶FTO，為RNA動(dòng)態(tài)表觀遺傳修飾的研究鋪平了道路，并為其他RNA甲基化修飾的研究奠定了基礎(chǔ)。N7-甲基鳥苷(m7G)的修飾普遍存在于mRNA、tRNA、rRNA中。在mRNA中，甲基轉(zhuǎn)移酶樣1(METTL1)和WD repeat domain 4 (WDR4)復(fù)合體可以將m7G安裝在mRNA上，這會(huì)影響mRNA的翻譯效率。在真核生物中，METTL1和WDR4形成甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體，可以催化tRNA中m7G的修飾。在rRNA中， WBSCR22/TRMT112 復(fù)合物作為甲基轉(zhuǎn)移酶參與了18S rRNA前體的加工， 這對(duì)于 40S 核糖體亞基之前的核輸出是必需的，這表明這些 m7G甲基轉(zhuǎn)移酶與18S rRNA 的結(jié)合可作為 40S 核糖體亞基成熟過程中的保守質(zhì)量控制機(jī)制。這些m7G甲基化影響RNA功能，并且與人類疾病有關(guān)。比如，缺乏METTL1和WDR4的小鼠胚胎干細(xì)胞在自我更新和神經(jīng)分化方面存在缺陷。另外m7G甲基化還與腫瘤發(fā)生、腫瘤細(xì)胞化療耐藥等生物過程相關(guān)。
m7G發(fā)文思路及相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)
m7G RNA的甲基化圖譜可以提供表觀轉(zhuǎn)錄組標(biāo)記的全面數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將有助于研究RNA甲基化對(duì)相關(guān)疾病的調(diào)節(jié)作用、在表觀遺傳水平上揭示潛在的生物標(biāo)記物，并為臨床研究提供新的策略。繪畫m7G RNA相關(guān)的甲基化圖譜所用的主要測(cè)序技術(shù)是Merip-m7G-Seq技術(shù)。MeRIP-seq是將MeDIP、RIP及RNA-seq技術(shù)結(jié)合起來，在全基因組范圍內(nèi)精確檢測(cè)RNA甲基化，適用于m7G RNA甲基化譜研究，利用特異性的RNA甲基化抗體進(jìn)行免疫共沉淀反應(yīng)，將獲得的甲基化修飾片段測(cè)序?？梢钥焖俸Y選m7G RNA甲基化靶基因。
在下文中1，作者選擇了斑馬魚模型動(dòng)物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以了解大腦中的mRNA甲基化圖譜。本研究首次建立了斑馬魚腦表位轉(zhuǎn)錄組中m1A、m5C、m6A和m7G的綜合圖譜，揭示了這些修飾在低氧條件下在mRNA中的分布。這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步研究m1A、m5C、m6A和m7G參與脊椎動(dòng)物miRNA和重復(fù)元件的調(diào)控提供了寶貴的資源，也為從表位轉(zhuǎn)錄組學(xué)角度研究腦缺氧損傷提供了新的思路。
最近的研究表明，tRNA也會(huì)受到m7G修飾的嚴(yán)格調(diào)控。tRNA表達(dá)模式的差異讓增殖和分化細(xì)胞表達(dá)出不同的翻譯程序。此外，tRNA也能被切割成更小的RNA，其中一些參與了細(xì)胞增殖，甚至比microRNA更豐富。這些成果都說明，我們需要更好地了解tRNA如何被調(diào)控。在研究tRNA上的m7G修飾時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)序技術(shù)tRNA還原和裂解測(cè)序(TRAC-Seq)，用于在tRNA轉(zhuǎn)錄組中，以單核苷酸分辨率對(duì)tRNA的7-甲基鳥嘌呤(m7G)修飾進(jìn)行無偏倚的全局定位。與基于抗體的測(cè)序方法（如用于甲基化RNA序列富集的甲基化RNA免疫沉淀和meRIP-Seq）不同，基于化學(xué)的測(cè)序方法（包括TRAC-Seq）可以提供修飾位點(diǎn)的單核苷分辨率的分析。實(shí)現(xiàn)了對(duì)tRNAs中m7G位點(diǎn)的特異性、高效的單核苷酸解析譜分析。
在下文中2，作者就使用TRAC-seq來更好地理解在METTL1/WDR4過表達(dá)細(xì)胞中驅(qū)動(dòng)惡性轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制。作者首先發(fā)現(xiàn)METTL1在癌癥中經(jīng)常過度表達(dá)，并且與較差的生存有關(guān)。然后繼續(xù)研究證明METTL1缺失會(huì)導(dǎo)致m7G修飾的tRNA豐度降低，改變細(xì)胞周期，抑制致癌作用。反之，METTL1的過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致致癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化和癌癥。從機(jī)制上講，作者發(fā)現(xiàn)m7G修飾的tRNAs的豐度增加，特別是Arg-TCT-4-1，并且mRNAs的翻譯增加，包括富含在相應(yīng)AGA密碼子中的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子。因此，Arg-TCT在許多腫瘤類型中的表達(dá)升高，并與患者的生存相關(guān)，并且這種tRNA的過度表達(dá)誘導(dǎo)了致癌轉(zhuǎn)化。因此，METTL1介導(dǎo)的tRNA修飾通過重塑mRNA的“翻譯組”來驅(qū)動(dòng)腫瘤轉(zhuǎn)化，增加生長(zhǎng)促進(jìn)蛋白的表達(dá)，是一個(gè)有前景的抗癌靶點(diǎn)。
非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）是指不編碼蛋白質(zhì)的RNA，包括miRNA、lncRNA、circRNA、piRNA等。非編碼RNA發(fā)揮功能的方式很多，可以與蛋白、DNA和RNA相互作用，參與多種細(xì)胞活動(dòng)，主要包括基因的激活和沉默，RNA的剪接、修飾和編輯，蛋白質(zhì)的翻譯等。ncRNA研究一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是國(guó)自然申報(bào)的重要領(lǐng)域，高分文章也頻頻出現(xiàn)在我們視野。
雖然ncRNA是研究熱點(diǎn)，但是由于缺乏高靈敏度的檢測(cè)方法，m7G在低豐度mRNA和microRNAs(miRNAs)中的檢測(cè)受到阻礙。在下文中3，作者應(yīng)用一種化學(xué)反應(yīng)來檢測(cè)miRNA內(nèi)部m7G。通過利用這個(gè)方法（硼氫化物還原測(cè)序[BoRed-seq]）與RNA免疫沉淀結(jié)合，作者在抑制細(xì)胞遷移的miRNA子集中發(fā)現(xiàn)了m7G。作者發(fā)現(xiàn)METTL1甲基化轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)miRNA中的m7G甲基化，并且其通過自身的催化活性調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移。通過質(zhì)譜法，作者可以將m7G定位到 let-7e-5p miRNA中的單個(gè)鳥嘌呤。結(jié)果表明，METTL1介導(dǎo)的甲基化是通過破壞主要miRNA轉(zhuǎn)錄本（pri-miRNA）來增強(qiáng)let-7 miRNA的加工。這些結(jié)果證明了METTL1介導(dǎo)的m7G作為一種新的RNA修飾途徑來調(diào)節(jié)miRNA結(jié)構(gòu)，生物發(fā)生和細(xì)胞遷移。
N7-甲基鳥苷（m7G）是tRNA，rRNA和mRNA 5'cap中存在的最豐富的修飾之一，并且在調(diào)節(jié)RNA加工，代謝和功能中具有關(guān)鍵作用。但除了其在mRNA中的帽位置外，內(nèi)部mRNA區(qū)域中鑒定了m7G。然而，其在內(nèi)部mRNA區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組范圍的分布和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)仍然未知。
在下文中4，作者開發(fā)了單堿基分辨率的m7G高通量測(cè)序技術(shù)(m7G miCLIP-seq)，通過該方法系統(tǒng)性描繪m7G在真核生物mRNA內(nèi)部的分布特征，發(fā)現(xiàn)該修飾的分布在不同的物種間具有保守性。正常條件下，人和小鼠mRNA內(nèi)部的m7G顯著富集于5’非翻譯區(qū)（5’UTR）和起始位點(diǎn)附近的AG二堿基富集區(qū)；而H2O2和熱激處理下，m7G分布發(fā)生動(dòng)態(tài)性變化，顯著富集于基因編碼區(qū)（CDS）和3’UTR區(qū)。并且應(yīng)激處理下形成的m7G具有促進(jìn)蛋白質(zhì)翻譯的作用。總之，通過開發(fā)單堿基分辨率的m7G高通量測(cè)序技術(shù)，作者發(fā)現(xiàn)mRNA m7G甲基組的動(dòng)態(tài)變化，并揭示了應(yīng)激處理下m7G在翻譯中具有調(diào)節(jié)作用，這對(duì)于處在應(yīng)激狀態(tài)的細(xì)胞中mRNA翻譯具有重要意義，同時(shí)也為m7G在mRNA生物學(xué)中的修飾開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。
m7G是一個(gè)新興的熱點(diǎn)，目前還沒有很多數(shù)據(jù)庫(kù)。上述介紹的文章思路，大多與測(cè)序相關(guān)。高通量測(cè)序固然是篩選基因的好方法，但成本較高。利用好相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以事半功倍。今天小編就給大家介紹一個(gè)探究與疾病相關(guān)的m7G位點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)：m7GDisAI基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的模型，推斷潛在的與疾病相關(guān)的m7G位點(diǎn)（http://180.208.58.66/m7GDisAI/）（目前該數(shù)據(jù)庫(kù)正在維護(hù)，相信不久可以與大家見面）。
到目前為止，已經(jīng)有人通過高通量測(cè)序方法確定了數(shù)萬個(gè)m7G靶點(diǎn)，這些信息在生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中公開可用，可以通過計(jì)算來預(yù)測(cè)潛在的與疾病相關(guān)的m7G靶點(diǎn)。為了填補(bǔ)這一空白，下文作者構(gòu)建了一個(gè)m7G與疾病相關(guān)性分析數(shù)據(jù)庫(kù)。作者從不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中收集了m7G位點(diǎn)與疾病的關(guān)聯(lián)信息、m7G位點(diǎn)的基因組信息和疾病的表型信息，構(gòu)建了m7G與疾病的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集。為了推斷潛在的疾病相關(guān)的m7G位點(diǎn)，作者提出了一個(gè)基于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的模型，m7G位點(diǎn)和疾病關(guān)聯(lián)推理(M7GDisAI)模型。M7GDisAI通過在異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用矩陣分解方法來預(yù)測(cè)潛在的與疾病相關(guān)的m7G站點(diǎn)，該方法集成了m7G站點(diǎn)和疾病的綜合相似性信息5。
全文小結(jié)：
“表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)”是通過轉(zhuǎn)錄后修飾影響RNA的結(jié)構(gòu)和功能，是近幾年來最熱門的研究領(lǐng)域之一。真核生物中的m7G 修飾在進(jìn)化上是保守的，甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物都可催化這種修飾，其中METTL1/WDR4復(fù)合體的研究最深入。m7G修飾RNA的穩(wěn)定性增加與表達(dá)水平會(huì)發(fā)生變化，從而促進(jìn)表型的轉(zhuǎn)化（如腫瘤生成）。作為近期科研界的熱點(diǎn)，m7G甲基化還存在很多未知的領(lǐng)域需要探索，其科研價(jià)值不言而喻。本文就近期m7G的發(fā)文思路和新的測(cè)序和分析技術(shù)進(jìn)行匯總，希望多大家有所幫助。
參考文獻(xiàn)：
1. Li W, Li X, Ma X, Xiao W, Zhang J. Mapping the m1A, m5C, m6A and m7G methylation atlas in zebrafish brain under hypoxic conditions by MeRIP-seq. BMC Genomics Feb 8 2022;23(1):105.doi:10.1186/s12864-022-08350-w.
2. Ma J, Han H, Huang Y, et al. METTL1/WDR4-mediated m(7)G tRNA modifications and m(7)G codon usage promote mRNA translation and lung cancer progression. Mol Ther Dec 1 2021;29(12):3422-3435.doi:10.1016/j.ymthe.2021.08.005.
3. Pandolfini L, Barbieri I, Bannister AJ, et al. METTL1 Promotes let-7 MicroRNA Processing via m7G Methylation. Mol Cell Jun 20 2019;74(6):1278-1290 e1279.doi:10.1016/j.molcel.2019.03.040.
4. Malbec L, Zhang T, Chen YS, et al. Dynamic methylome of internal mRNA N(7)-methylguanosine and its regulatory role in translation. Cell Res Nov 2019;29(11):927-941.doi:10.1038/s41422-019-0230-z.
5. Ma J, Zhang L, Chen J, Song B, Zang C, Liu H. m(7)GDisAI: N7-methylguanosine (m(7)G) sites and diseases associations inference based on heterogeneous network. BMC Bioinformatics Mar 24 2021;22(1):152.doi:10.1186/s12859-021-04007-9.
