RNA 甲基化介绍
分子生物学中心法则中，遗传信息逐级从 DNA、RNA 流向蛋白质。基因组 DNA 和组蛋白上都存在可逆的表观遗传修饰。这些修饰可调控基因的表达，并由此决定细胞的状态，影响细胞的分化和发育。近年来人们又发现，除了传统表观遗传修饰外，RNA 上也存在这一类修饰，发挥着固定的生理学功能。
 

图注：RNA甲基化修饰位点

m⁶A及m⁵C RNA甲基化修饰研究方法
RNA 甲基化（RNA methylation）作为新发现表观遗传学研究的重要内容之一，是指发生在 RNA 分子上不同位置的甲基化修饰现象，6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m⁶A）和 5-甲基胞嘧啶（C5-methylcytidine，m⁵C）是真核生物中最常见的两种 RNA 转录后修饰。 RNA 甲基化在调控基因表达、编辑、稳定性及降解等方面扮演重要角色。相对于 DNA 甲基化，RNA 甲基化更加复杂，种类繁多，且普遍存在于各种高级生物中。由于缺乏有效检测手段，相关研究多局限于非编码 RNA、rRNA 及小部分编码转录片段，多数 RNA 甲基化功能研究方兴未艾，亟待解决！

 

目前 m⁶A RNA 甲基化修饰检测多采用 MeRIP-seq 实验方法，该方法与 DNA 甲基化检测手段 MeDIP-seq 类似，通过 m⁶A 甲基化抗体处理样品并结合高通量测序确定转录组 m⁶A 修饰位点发生位置。而 m⁵C RNA 甲基化修饰检测多采用 Bisulfite-seq 实验方法，利用Sulfurous acid处理 RNA 并结合高通量测序在单碱基范围内确定 RNA m⁵C 修饰发生位点。

案例 1 环状 RNA m⁶A 甲基化修饰促进蛋白质翻译

环状 RNA 在某些病毒中普遍存在，然而近年才在真核生物中大量发现这种成环 RNA。人类的环状 RNA 主要是由外显子的反向剪接产生的，关于其生物功能尚无定论。
在今年 3 月 10 日，中国科学院－马普学会计算生物学伙伴研究所研究员王泽峰在《细胞研究》（Cell Research）上在线发表了题为 Extensive translation of circular RNAs driven by N6-methyladenosine 的研究论文，该研究发现大量的环状 RNA 可作为信使 RNA 来编码蛋白，这些环状信使 RNA 通过一种常见的 RNA 甲基化修饰 m⁶A ，驱动非帽依赖型的翻译机制来合成蛋白质。这项工作极大地拓展了人类对环状 RNA 的认知，也使我们了解 RNA 甲基化修饰具有重要生理意义。

1.环状 RNA m⁶A 修饰可促进蛋白质翻译
 

图注：m⁶A RNA甲基化促进蛋白质翻译

近来研究发现在细胞应激条件下，有些 mRNA 可以不依赖于帽结构而靠一个叫 IRSE 的顺式调控原件从 mRNA 的中间启动翻译。作者在前期工作中发现插有 IRES 的编码 GFP 的环状 RNA 可以在细胞中被翻译。在这项新工作中作者发现环状 RNA 富含 m⁶A 甲基化修饰，而且这些碱基修饰可以像 IRES 一样驱动环状 RNA 进行非帽结构依赖型翻译。

2.环状 RNA m⁶A 修饰招募蛋白因子进行翻译
 

图注：非帽结构依赖型翻译模型

m⁵C 的分布规律及组织特异性表达

首先，作者通过改进的 RNA m⁵C 单碱基分辨率高通量测序技术手段，揭示了不同物种、不同组织中 mRNA m⁵C 的分布规律，并绘制了精细的 m⁵C 修饰图谱，发现 m⁵C 普遍在 mRNA 的翻译起始位点显著富集，并主要分布于 CG 富集区域。通过分析对比人和小鼠不同组织，发现 m⁵C 在 mRNA 上的分布特征在哺乳动物中十分保守，且具有组织特异性。 

2.m⁵C RNA 甲基化修饰调控基因出核机制


图注：mRNA m⁵C 修饰调控基因出核模板

在获得精细的 RNA m⁵C 单碱基分辨修饰图谱后，研究人员发现 NSUN2 蛋白是主要的 mRNA m⁵C 甲基转移酶，活性位点为 C271 和 C321， NSUN2 功能缺失将导致 mRNA 的出核受到抑制。进一步研究发现，出核调控蛋白 ALYREF 通过第 171 位赖氨酸特异性结合 m5C，进而促进 mRNA 出核。至此，研究团队发现了 mRNA m⁵C 主要通过与甲基转移酶 NSUN2（Writer）及其结合蛋白 ALYREF（Reader）相互作用来调控其出核。

RNA 甲基化总结

RNA 甲基化相关研究刚刚起步，科研前景极大（免费索取云序生物 RNA 甲基化详细实验方案）。从目前报道文献来看，RNA 甲基化修饰可能与人体癌症等疾病密切相关，但实验数据尚需大量补充。对 RNA 甲基化修饰的研究，将有助于科学家解释各种与 RNA 有关生物过程的发生机制，并以实验为基础对 RNA 甲基化修饰进行调控，以达到预防、治疗疾病的目的。

王泽峰研究员简介：

中国科学院-马普学会计算生物学伙伴研究所所长、研究组长、博士生导师。曾获杰弗逊基础医学奖、Kimmel 学者将等。研究方向主要为 RNA 水平的基因表达调控。首次建立了大规模细胞内剪接鉴定系统，并以此在全转录组层面阐析可变剪接的调控机理；深入研究癌症中异常可变剪接的调控机理及其生物功能，发现剪接因子 RBM4 的抑癌机理；运用合成生物学的方法设计构建人工蛋白来特异性调控 RNA 的剪接加工。以上科研成果，先后发表于「Cell, Mol Cell, Nat Struct Mol Biol, Nat Commun, PNAS, Cancer Cell」等重要期刊。

汪海林研究员简介：

中国科学院生态环境研究中心研究员、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，中国科学院「百人计划」入选者。曾获中科院院长特别奖，中国分析测试协会科学技术特等奖。研究方向包括：高灵敏 DNA 损伤和修饰分析；DNA 同源重组修复机制；DNA N6-甲基腺嘌呤修饰 (6mA) 功能与调控机制；环境小分子调控 DNA 甲基化效应与机制。研究发现了高等真核生物基因组 N6-甲基腺嘌呤新修饰方式，是表观遗传领域原创性突破。已在「Cell,  PNAS，JACS」等国际知名学术刊物上发表 SCI 收录论文 100 余篇，他引 800 多次。

相关论文：

 

Effcient backsplicing produces translatable circular mRNAs. RNA, 2015

Extensive translation of circular RNAs driven by N6-methyladenosine. Cell Res, 2017
5-methylcytosine promotes mRNA export--NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an m5C reader. Cell Res, 2017

文章作者进一步研究了环状 RNA 的翻译机制，发现 m6A 识别蛋白 YTHDF3 能够结合到环状 RNA m⁶A 修饰位点，之后通过募集 eIF4 G2 和其他翻译起始因子来驱动环状 RNA 进行翻译。同时，他们通过多核糖体分析和环状 RNA 测序发现大量的环状 RNA 与多核糖体结合在一起。并利用质谱学的方法鉴定了一系列由环状 RNA 反向剪切位点编码的新肽段。
案例 2  RNA m⁵C 甲基化修饰调控基因出核新机制
m⁵C 作为一种重要的 RNA 修饰手段，首先被发现在 tRNA 和 rRNA 中高丰度存在，利用高通量测序手段，多种 m⁵C 修饰位点也被进一步验证。近期研究表明，多种非编码 RNA 和 mRNA 具有 m⁵C 修饰位点，但多种物种或不同组织中 m⁵C 的分布图谱尚没有系统性的报道，m⁵C 具体的功能机制仍是一个谜。近期中科研汪海林等研究团队揭示了 m⁵C 修饰在 mRNA 的分布图谱规律及其对调控 mRNA 出核作用新机制。该研究成果以 5-methylcytosine promotes mRNA export--NSUN2 as the methyltransferase and ALYREF as an m5C reader 为题，于今年 4 月 18 日在《细胞研究》（Cell Research）杂志发表。

1.m⁵C RNA 甲基化修饰精细表达谱构建
 

图注：mRNA中

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