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m6A正火,ac4C又至!詳解Cell最新ac4C研究

【字體: 時間:2019年06月21日 來源:表觀生物

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  今日小編帶來RNA ac4C的研究解析,這可是表觀轉錄組研究的“超級潛力股”!

表觀轉錄組(epitranscriptome)可謂近年來最火熱的研究領域。其中,m6A也成為僅憑一己之力,帶動整個領域發展的最具價值研究對象!

早在1974年,Desrosiers[1]和Perry &Kelley[2]課題組分別同時在mRNA上鑒定到m6A修飾,而此后,m6A處于無人問津的狀態。

回看m6A的“躥紅歷程”,也不過九年的時間
  
2010年-2012年間,m6A的甲基化酶METTL3[3]和去甲基化酶FTO[4]被鑒定,并且基于抗體富集m6A陽性RNA的測序方法(MeRIP-Seq)的產生[5],人們意識到:
1. m6A是一個可逆的,受到動態調控的RNA修飾。
2. RNA上的m6A是可通過測序方法精確鑒定的。

因此,m6A逐漸受到越來越多的關注,其強大的功能也不負眾望!

m6A在癌癥中的研究套路:表達→表型→測序→功能,已成功幫助它登上Cell Stem Cell, Cancer Cell, Nature Cell Biology 等一系列高水平雜志,癌癥類型覆蓋白血病,神經膠質瘤,乳腺癌,肝癌和肺癌等。

看到這里,小伙伴們是不是羨慕這種簡單粗暴又高效的研究對象和方法。

然而是不是也后悔沒早些加入這樣前沿的研究領域。

沒關系!今日小編帶來RNA ac4C的研究解析,這可是表觀轉錄組研究的“超級潛力股”!

ac4C在mRNA上的功能可謂一出道即達巔峰!
      
2018年12月13日,美國NIH的Shalini Oberdoerffer教授在CELL發表研究:Acetylation of Cytidine in mRNA Promotes Translation Efficiency,該研究首次揭示mRNA上存在大量ac4C修飾,并且ac4C影響mRNA的穩定性與翻譯效率。

目前已鑒定到的核糖核苷修飾已超過140種,大量研究集中在tRNA和rRNA上,而mRNA上的化學修飾及其作用,研究尚處起步階段。(主要是因為根據中心法則,DNA-RNA-蛋白,mRNA僅僅是“信使”的作用,代謝快,半衰期短,早期未曾想到mRNA的化學修飾能對基因表達起到如此重要的作用。

N4-acetylcytidine (ac4C),N4位乙酰胞嘧啶,是真核原核生物中保守的化學修飾,早期研究認為ac4C主要存在tRNA和18S rRNA上。而近期研究顯示,mRNA上也存在大量的ac4C,其豐度甚至不低于mRNA攜帶的m7G帽子修飾[6,7]。NAT10是目前鑒定的唯一同時具有乙;附Y構域和RNA結合結構域的蛋白,因此被認為是RNA ac4C修飾酶。

研究者利用CRISPR技術在HELA細胞中敲低NAT10,發現細胞增殖被抑制,RNA-seq分析顯示大量與細胞生長相關的基因下調表達。

那么,NAT10是否通過影響mRNA上的ac4C修飾抑制細胞增殖呢?通過分離帶polyA 的mRNA,研究者證實mRNA上確實存在大量ac4C修飾,并且敲低NAT10后,ac4C顯著降低,提示NAT10可能通過影響mRNA ac4C修飾發揮癌基因的作用。

   

ac4C發揮了什么功能呢?研究者首先通過acRIP-seq的方法,發現ac4C主要富集在CDS區,另5’UTR和3’UTR區也有分布。

   

考慮到敲低NAT10后引起了大量增殖相關基因mRNA的變化,研究者首先推測ac4C影響mRNA的穩定性。確實,富集ac4C的mRNA擁有更長的半衰期,提示它們的穩定性更高。

mRNA的穩定性與翻譯效率息息相關,通常翻譯效率高的mRNA更穩定,而翻譯效率低的mRNA會很快被降解[8]。因此,研究者進一步想知道,ac4C是否影響了mRNA的翻譯效率。通過ribo-seq,研究者發現攜帶ac4C的mRNA翻譯效率(Translation Efficiency,TE)更高。

   

總的來說,該研究首次證明ac4C修飾對mRNA的命運決定(穩定性和翻譯)至關重要,成為ac4C在表觀轉錄組研究的開山之作。

但同時我們也應意識到,雖然登上Cell,該領域的研究還有很多待解決的問題。識別并介導ac4C mRNA的穩定性和翻譯效率的蛋白是什么,也就是ac4C的閱讀器(reader)有哪些?ac4C對mRNA的選擇性是如何實現的?ac4C與其他RNA修飾,比如m6A,或組蛋白修飾,比如H3K4等,是否存在cross talk,其生理意義是什么?

更為重要的是,ac4C在癌癥進程中扮演了什么角色?NAT10,作為ac4C唯一的乙;,它在癌癥中的表達和作用能提示mRNA ac4C的功能。實際上,目前關于NAT10的研究,我們在pubmed上僅能搜到37項,提示NAT10的研究空間很大。并且,這些研究提示NAT10在多種癌癥中高表達,包括肝癌,骨肉瘤和白血病等。而關于NAT10的作用機制研究還非常有限,集中在NAT10對p53乙;挠绊懮,尚未有將NAT10在癌癥中的作用與mRNA ac4C聯系起來。因此我們可以看出,關于ac4C在癌癥中的作用研究,是一個非常有潛力的方向。

那么問題來了,如何開展ac4C在癌癥中的功能研究呢?參考m6A的研究套路,首先需要轉錄組數據(TCGA和Oncomine等數據庫),分析NAT10在所研究的癌癥體系中是否異常表達(高表達或低表達),然后利用NAT蛋白抑制劑、siRNA或者CRISPR的方法敲低或敲除NAT10,一系列表型檢測(增殖,凋亡,轉移,侵襲和自我更新能力等),再通過acRIP-seq鑒定發生ac4C變化的mRNA,分析ac4C如何影響靶基因的變化。

圖:通過TCGA泛癌數據分析,NAT10基因在大部分腫瘤中異常高表達
數據來源:http://gepia.cancer-pku.cn/detail.php?gene=NAT10

重點來了。。!

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圖A為表觀生物實測的acRIP-seq數據motif分析結果,與圖B的Cell文章結果完美一致。


圖A. 表觀實測數據motif分析結果


圖B. 已發表論文結果[9]

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參考文獻
1. Desrosiers R, Friderici K, Rottman F.1974. Identification of methylated nucleosides in messenger RNA from Novikoffhepatoma cells. PNAS 71:3971–75
2. Perry RP, Kelley DE. 1974. Existence ofmethylated messenger RNA in mouse L cells. Cell 1:37–42
3. Agarwala SD, Blitzblau HG, Hochwagen A,Fink GR. 2012. RNA methylation by the MIS complex regulates a cell fatedecision in yeast. PLOS Genet. 8:e1002732
4. Jia G, Fu Y, Zhao X, Dai Q, Zheng G, etal. 2011. N6-Methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of theobesity-associated FTO. Nat. Chem. Biol. 7:885–87
5. Meyer KD, Jaffrey SR. 2014. The dynamicepitranscriptome: N6-methyladenosine and gene expression control. Nat. Rev.Mol. Cell Biol. 15:313–26
6. Dong, C., Niu, L., Song, W., Xiong, X.,Zhang, X., Zhang, Z., Yang, Y., Yi, F.,Zhan, J., Zhang, H., et al. (2016). tRNAmodification profiles of the fast-proliferating cancer cells. Biochem. Biophys.Res. Commun. 476, 340–345.
7. Castello, A., Fischer, B., Eichelbaum,K., Horos, R., Beckmann, B.M., Strein,C., Davey, N.E., Humphreys, D.T., Preiss,T., Steinmetz, L.M., et al. (2012). Insights into RNA biology from an atlas ofmammalian mRNA-binding proteins.Cell 149, 1393–1406.
8. Hanson, G., and Coller, J. (2018). Codonoptimality, bias and usage in translation and mRNA decay. Nat. Rev. Mol. CellBiol. 19, 20–30.
9. Arango D, Sturgill D, Alhusaini N, et al. Acetylation of cytidine in mRNA promotes translation efficiency[J]. Cell, 2018, 175(7): 1872-1886. e24.

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