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来源：BioArt
原标题：专家点评Mol Cell | 杨运桂/刘峰/麻锦彪合作揭示RNA m5C修饰调控早期胚胎发育母源mRNA稳定性的机制
斑马鱼母源-合子转换(maternal-to-zygotic transition, MZT)过程伴随着母源RNA和蛋白质的降解以及合子基因组的激活(zygotic genome activation, ZGA)。已有研究表明多种关键因素通过母源和合子途径促进母源mRNA降解，其中包括合子转录的microRNA miR-430、次优密码子的使用、N6-甲基腺苷（m6A）、尿苷化等，但母源mRNA的稳定性维持机制尚不清楚。 2019年8月6日，中国科学院北京基因组研究所杨运桂研究组、中国科学院动物研究所刘峰研究组和复旦大学麻锦彪研究组合作在Molecular Cell发表了题为RNA 5-methylcytosine facilitatesmaternal-to-zygotic transition through preventing maternal mRNA decay的研究成果，研究了另一种广泛的mRNA修饰5-甲基胞嘧啶（m5C）如何参与调控母源mRNA稳定性维持。研究发现m5C通过新结合蛋白Ybx1调控母源mRNA的稳定性，进而调控斑马鱼母源-合子转换及早期胚胎发育进程。
通过绘制斑马鱼早期胚胎发育过程中RNA m5C甲基化图谱，研究发现在母源-合子转换过程中，m5C修饰的母源mRNA比未修饰的mRNA更稳定。利用Oligo-pulldown结合质谱技术发现了斑马鱼中新的m5C结合蛋白Ybx1。进一步通过ITC、蛋白解构技术等发现了Ybx1倾向于通过其CSD结构域关键残基Trp45与m5C的π-π相互作用，识别m5C修饰的mRNA。
通过绘制斑马鱼早期胚胎发育过程中RNA m5C甲基化图谱，研究发现在母源-合子转换过程中，m5C修饰的母源mRNA比未修饰的mRNA更稳定。利用Oligo-pulldown结合质谱技术发现了斑马鱼中新的m5C结合蛋白Ybx1。进一步通过ITC、蛋白解构技术等发现了Ybx1倾向于通过其CSD结构域关键残基Trp45与m5C的π-π相互作用，识别m5C修饰的mRNA。功能实验表明，ybx1缺失导致早期胚胎发育阻滞在囊胚期和原肠期。通过免疫共沉淀、GST-pulldown技术和高通量测序技术，鉴定了poly(A)结合蛋白Pabpc1a为Ybx1的互作蛋白，发现pabpc1a缺失的胚胎表现出与ybx1缺失胚胎相似的表型且Ybx1靶向结合的mRNA的稳定性显著降低。利用单基因报告系统证明Ybx1和Pabpc1a以m5C依赖的方式维持母源mRNA的稳定性并最终促进斑马鱼早期胚胎发育进程。
杨运桂研究团队早期合作研究建立RNA m5C测序技术，绘制了哺乳动物细胞和组织mRNA m5C修饰图谱，发现m5C通过其细胞核内结合蛋白ALYREF调控mRNA出核（详见BioArt此前的报道：杨运桂组封面文章揭示RNA甲基化调控基因出核新机制丨BioArt推荐）和细胞质内结合蛋白YBX1调控mRNA稳定性及其与膀胱癌发生相关性（详见BioArt此前的报道：NCB | 杨运桂团队等揭示RNA甲基化m5C调控膀胱癌发生机制）。而最新的这项研究表明，m5C修饰通过其结合蛋白Ybx1招募Pabpc1a维持母源mRNA稳定性从而保证母源-合子转换有序机制的发现，进一步证明m5C在调控重要生理和病理进程中的重要作用。
专家点评
伊成器（北京大学生命科学学院研究员，国家“杰青”） 从第一个RNA修饰发现至今，已有近70个年头。2010年，芝加哥大学华人科学家何川教授在《自然-化学生物学》杂志“巨大挑战评论”（Grand Challenge Commentary）专栏中预测，RNA上的甲基化修饰有可能如同DNA、组蛋白的甲基化修饰一样是动态可逆的，率先提出了“RNA表观遗传学”的概念。这一概念近年来也被称为“表观转录组学”（epitranscriptomics），从而更好地呼应了描述DNA与组蛋白研究的“表观基因组学”（epigenomics）。这一领域的“明星”分子，当属mRNA内部含量最高的m6A修饰（N6-methyladenosine，6-甲基腺嘌呤）。2011年，何川教授和杨运桂研究员合作研究发现，m6A可以被FTO去甲基化，表明m6A是一个动态可逆的化学修饰（Jia G. et al., Nature Chemical Biology 2011）。2013年，何川教授与杨运桂研究员及挪威Arne Klungland教授进一步开展合作研究，发现了m6A的第二个去甲基化酶ALKBH5（Zheng G. et al., Molecular Cell2013）。至此，m6A是一个动态可逆RNA修饰的概念得到了证实。这一概念的确立，使得科研人员开始关注m6A和其他RNA化学修饰，开发了一系列针对RNA修饰的检测技术，极大地推动了表观转录组学领域的发展。 杨运桂团队合作研究进一步鉴定了RNA m6A修饰酶，发现m6A调控RNA加工代谢机制及细胞分化、发育和代谢等重要功能（Ping XL. et al., Cell Research 2014; Chen T. et al., Cell Stem Cell2015; Xiao W. et al., Molecular Cell 2016; Li A. et al., Cell Research 2017; Zhang C. et al., Nature 2017; Wang CX. et al., PLoS Biology 2018; Zhang Z. et al.,Cell Research 2018; Peng S. et al., Science Translational Medicine 2019等）。
除了在m6A修饰研究中的重要发现，近期他的研究团队也在RNA 5-甲基胞嘧啶（m5C）修饰的研究中取得了系列创新性的突破。他的团队开发了m5C的全转录组检测高清方法，鉴定了第一个m5C的结合蛋白ALYREF（Yang X., et al., Cell Res.2017）。最近，杨运桂及其合作者中科院动物所刘峰研究员、中山大学肿瘤医院周芳坚教授、谢丹教授、中科院生化细胞黄旲研究员和复旦大学麻锦彪教授合作研究，分别在Molecular Cell与Nature Cell Biology杂志报道了m5C在生理和病理条件下的调控功能与机制。 母源-合子转换（maternal to zygotic transition, MZT）是早期胚胎发育中一个高度保守、极为重要的过程。该过程伴随着母源RNA的大量降解，之前的研究已有不少报道。然后，这一过程中部分母源mRNA需要保持稳定，而MZT过程中母源mRNA稳定性的维持知之甚少。在他们刚刚发表于Molecular Cell的论文中，发现m5C通过结合蛋白Ybx1调控母源mRNA的稳定性，进而调控斑马鱼母源-合子转换及早期胚胎发育进程。该研究原创性地发现，m5C通过Ybx1招募了poly(A)结合蛋白Pabpc1a，从而维持了母源mRNA的稳定性，保证了母源-合子转换的有序进行。这一分子机制的发现，为全面解析斑马鱼胚胎发育过程中mRNA命运调控及细胞分化提供了重要依据。由于其保守性，m5C修饰在其他脊椎动物的发育过程中也可能发挥着重要作用。
杨运桂课题组与其合作者于7月29日在《Nature Cell Biology》上还发表了关于m5C及YBX1调控膀胱癌发生发展的论文。该研究发现，m5C通过YBX1调控了致癌基因HDGFmRNA的稳定性，进而调控膀胱癌的增殖和转移。这两项研究中，分别在不同的物种中，阐释了m5C在不同的生物学体系（癌症和发育）中的重要作用，且均是以一个新发现的结合蛋白—YBX1作为m5C发挥功能的关键突破口。在两项研究中，YBX1都识别了mRNA中的m5C这一“化学标签”，从而维持了mRNA的稳定性。而在不同物种、不同体系中高度一致的结果，也反映了m5C-YBX1调控mRNA这一机制是高度保守、非常重要的。 RNA上m5C可以通过结合蛋白发挥调控功能；有趣的是，DNA上的5mC及其结合蛋白也有公认的重要作用。例如，MeCP2蛋白是甲基化结合蛋白家族（5-methylcytosine binding domain, MBD）中的主要成员。该结合蛋白通过特异性结合DNA上的5mC来抑制靶基因的转录，是一个重要的转录抑制因子。该蛋白功能异常时，会导致诸如Rett综合征等人类重大疾病的发生。除了MeCP2外，还有例如MeCP1、MBD1-4、UHRF1等结合蛋白，通过识别5mC来实现基因表达和细胞功能的准确调控。杨运桂及合作者的这两篇论文，在他们之前已发现的ALYREF蛋白基础上，再次报道了新的结合蛋白YBX1，扩展了RNA上m5C的功能和调控机制，对全面、系统地理解m5C介导的调控作用有着重要的意义。RNA中已知的修饰有100多种，除了研究最为透彻的m6A修饰，下一个研究热点是什么？m5C的研究就极具创新性，为表观转录组学领域开辟了新的研究方向。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.06.033
来源：BioGossip BioArt
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQyNjY1MQ==&mid=2652473607&idx=3&sn=b7551f92d59d9a6bfa12f75e1b3945a8&chksm=84e21ab3b39593a5fbfdcd1f005a4e45f10ca2e5224a33898bdfefeeab9e1474c1a0487b43f5&scene=27#wechat_redirect
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