思维打开！跳出单一层面基因调控研究！
思维打开！跳出单一层面基因调控研究！
近些年来，表观遗传修饰和表观转录组学在国自然申报和各类文章中高频出现，热度爆炸。其中，表观遗传修饰包括DNA甲基化、染色质构象变化、组蛋白修饰等，更多地强调在DNA层面调控基因的表达。而表观转录组学则聚焦RNA分子上特定的化学修饰，包括但不限于N1-甲基腺苷（m1A）、5-甲基胞苷（m5C）、N6-甲基腺苷（m6A）、N7-甲基鸟苷（m7G）、N4-乙酰胞苷（ac4C），通过影响RNA剪接、加工、转录、翻译和稳定性等，在RNA层面调控基因的表达。
之前，对于基因表达调控的研究，大多围绕表观遗传修饰或RNA修饰的某一部分，仅从DNA或RNA的单一层面来解析机制。举个例子，1）表观遗传修饰思路，通常联合ChIP-seq/CUT&Tag和RNA-seq解析组蛋白修饰介导的基因表达变化。此外，为了凸显研究的全面和深入，还会额外补充ATAC-seq展示生物学过程中染色质可及性变化，但仔细想来，ATAC-seq更多起到锦上添花的作用。2）RNA修饰思路，通常联合meRIP-seq/acRIP-seq和RNA-seq阐明RNA修饰介导的基因表达变化。当然，也可能补充RIP-seq/LACE-seq/CLIP-seq强调RBP与发生修饰转录本之间的相互作用。但不管是哪种，最终都只停留在各自的领域中独自为战。这种人为割裂、单一层面的研究模式将复杂统一、协调多元的生物学过程简单化，既容易产生大量套路化、同质化、IF不高的研究成果，又扼杀了思维创新和科研进步。目前，表观遗传修饰和RNA修饰之间的串扰正受到越来越多的关注。而机制研究中也越来越强调多种层面基因调控方式的耦合。
图1 表观遗传和表观转录机制示意图
康测科技以全自动核酸建库平台、全自动免疫共沉淀平台、独立自主云分析平台等先进平台为基础，充分利用Digital RNA-seq、Digital DSN-seq等创新技术，提供涵盖基因组学、表观基因组学、转录组学、表观转录组学、互作组学和免疫组学的20+组学技术服务，全面满足表观遗传调控和RNA修饰研究需求。本篇我们将重点讲解m6A与组蛋白修饰之间的串扰！
图2 康测科技20+组学产品
m6A与组蛋白修饰之间的串扰
1）m6A与H3K9me3
异染色质是基因组的重要组成部分，它维持基因组的完整性。抑制嵌入的卫星重复序列和转座元件的活性是异染色质的重要功能之一。H3K9me3被认为是异染色质的分子特征，m6A可以通过影响H3K9me3水平介导异染色质调节。
敲除Mettl3并利用丧失催化活性的Mettl3APPA进行挽救未能恢复IAP元件处的H3K9me3水平。相反，敲除Alkbh5显著增加这些位点的H3K9me3水平。Mettl3催化形成的m6A可以被Ythdc1读取并有助于异染色质的形成。Ythdc1 ChIP-seq证实Ythdc1同样在富集H3K9me3的转座元件上富集并介导逆转座子沉默和维持mESC特征。Ythdc1可能作为Mettl3的重要向导，促进其与染色质、Setdb1和Trim28的相互作用，进而调节H3K9me3在IAP元件处的富集。这意味着m6A、H3K9me3与异染色质的形成密切关联。
此外，一些MSR可以被RNA聚合酶II转录，生成异染色质RNA（hetRNA）。这些hetRNA可以形成RNA：DNA双链，帮助保留HP1和Suv39h，而HP1和Suv39h均与H3K9me3紧密相关。MSR RNA上包含的“RRACH”基序则是体外METTL3/METTL14复合体的结合首选。在Mettl3/Mettl14敲除的mESC中，MSR RNA上m6A水平降低、形成的RNA：DNA杂链减少、染色质关联受损。这表明m6A、H3K9me3调节染色质结构。
图3 METTL3介导的m6A、H3K9me3与异染色质
2）m6A与H3K27ac
当m6A发生在编码组蛋白修饰蛋白的RNA上时，RNA修饰会与组蛋白修饰产生串扰。例如，NSCs中m6A通过影响编码组蛋白乙酰转移酶P300/CBP的RNA的稳定性来调节基因的表达。Mettl14f/f nes-cre小鼠中，CBP和P300上m6A丰度较低，表达增加，并且H3K27ac水平显著上调。这说明m6A可以影响组蛋白修饰调节因子的表达，并可能进一步改变染色质构象。
图4 编码组蛋白修饰酶的RNA上m6A与染色质可及性
3）m6A与H3K27me3
YTHDF2的缺失导致组蛋白去甲基化酶KDM6B转录本的稳定性增强，KDM6B翻译增加并降低炎症细胞因子（如IL6、IL12B和ICAM1）上H3K27me3水平，进而增加炎症细胞因子的转录。作者推测m6A与H3K27me3之间的串扰是调节炎症基因表达的关键检查点。在HKST处理的THP-1细胞中，m6A peak主要富集在H3K27me3稀疏的区域。KDM6B抑制剂GSK-J4也降低整体m6A水平。此外，HA-KDM6B与 FLAG-METTL3和FLAG-METTL14的免疫共沉淀暗示KDM6B可能作为m6A安装的向导。事实上，GSK-J4处理的细胞显示METTL14在KDM6B位点处结合受损，形成通过调节KDM6B的稳定性来调节H3K27me3水平的负反馈环。综上所述，KDM6B介导的H3K27me3去甲基化对于m6A甲基转移酶复合体METTL3/METTL14的共转录招募至关重要。
4）m6A与H3K9me2
METTL3/METTL14同样可以调节抑制性组蛋白标记H3K9me2。METTL3或METTL14的缺失会增加H3K9me2的整体水平，并且通过诱导野生型METTL3而非丧失催化活性的METTL3D395A的表达可以逆转。敲低Ythdc1导致KDM3B与染色质的结合减少，而借助dPspCas13b-YTHDC1可以增加局部KDM3B丰度并降低H3K9me2水平。总体而言，通过YTHDC1，m6A可以以共转录方式招募组蛋白修饰酶KDM3B介导H3K9me2去甲基化，实现RNA修饰与组蛋白修饰串扰。
图5 m6A与组蛋白修饰调节因子
5）m6A与H3K36me3
H3K36me3是一种转录延伸标记物，主要在编码区和3'末端附近富集，被证明可以引导m6A沉积。在各种正常和肿瘤细胞中，SETD2（H3K36的组蛋白甲基转移酶）与m6A writers METTL3、METTL14和WTAP的表达呈正相关。敲低SETD2或过表达组蛋白去甲基化酶KDM4A会显著降低整体m6A水平。利用dCas9-KDM4A靶向MYC的CRD区（富集H3K36me3），导致H3K36me3和m6A水平显著降低。而将dCas9-SETD2靶向GNG4的gene body区（无H3K36me3），导致H3K36me3和m6A丰度增加。此外，METTL14参与MTC中H3K36me3的识别和结合，将H3K36me3和m6A沉积联系起来。归纳总结，H3K36me3可能引导m6A MTC与延伸转录本的结合并以共转录方式催化新生RNA发生甲基化。
表1 m6A与组蛋白修饰
下一期，我们将重点介绍RNA上m6A与染色质可及性之间的串扰，并列举几篇表观遗传修饰与RNA修饰串扰的高分文章，敬请期待！
参考文献
1. Ryan L. Kan, Jianjun Chen, Tamer Sallam. Crosstalk between epitranscriptomic and epigenetic mechanisms in gene regulation[J]. Trends in Genetics, 2022
