RNA 甲基化研究新突破：构建 m?ABasecaller，解锁转录组修饰奥秘
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时间：2025年02月26日
来源：Genome Biology 10.1
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为解决 RNA 修饰检测难题，研究人员开展相关研究，构建 m?ABasecaller 模型，助力 RNA 修饰研究。
RNA 作为生命遗传信息传递的关键角色，在生物体内发挥着诸多重要功能。然而，RNA 的功能和命运并非仅由其碱基序列决定，众多的化学修饰也起着至关重要的作用。这些 RNA 修饰（RNA modifications）就像是给 RNA 分子添加的 “小标签”，影响着它的方方面面，从基因表达调控到细胞分化，从免疫反应到癌症发展，几乎涉及所有重要的生物学过程。比如，N? - 甲基腺苷（m?A）作为真核生物 mRNA 中最丰富的内部修饰，像一个 “分子开关”，动态地调控着 mRNA 的命运。它能影响 mRNA 的稳定性、翻译效率以及与蛋白质的相互作用，进而对细胞的各种生理活动产生深远影响。
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尽管 RNA 修饰如此重要，但目前对它们的研究却面临着重重困难。在众多 RNA 修饰研究技术中，纳米孔直接 RNA 测序（DRS）展现出了巨大的潜力。它能够在单分子水平上对 RNA 进行测序，同时检测多种修饰类型，还能提供转录本异构体水平的信息，就像给研究人员提供了一个微观的 “放大镜”，让他们能更细致地观察 RNA 的世界。然而，现有的基于纳米孔 DRS 检测 RNA 修饰的方法存在诸多不足。一方面，常用的检测策略往往依赖与参考样本的比较，例如敲除或敲低特定 RNA 修饰 “写入” 酶的样本，这就极大地限制了其在不同生物学背景下的应用；另一方面，这些方法大多需要复杂的信号数据预处理步骤，包括碱基识别、比对、特征提取等，不仅繁琐，而且容易引入误差，同时还存在假阳性率较高的问题。此外，目前用于训练修饰感知碱基识别模型的高质量 “训练数据” 极为稀缺，这就像建造高楼大厦却缺乏优质的建筑材料一样，严重阻碍了修饰感知碱基识别模型的发展。
为了攻克这些难题，来自相关研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于构建一种全新的修饰感知碱基识别模型，以实现对 RNA 修饰的高效、准确检测。最终，研究人员成功构建了 m?ABasecaller，这一成果意义重大，相关研究发表在《Genome Biology》期刊上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们利用合成的 “curlcake” 构建体和体内数据训练模型，通过这种方式来提高模型对不同序列的适应性和准确性；其次，开发了 NanoRMS2 软件，该软件能够产生高可信度的每读长修饰状态标签，为训练修饰感知碱基识别模型提供了关键支持；此外，还使用了纳米孔直接 RNA 测序技术获取数据，并通过一系列生物信息学分析方法对数据进行处理和解读。
下面来详细看看研究结果。在训练 m?A 感知 RNA 碱基识别模型方面，研究人员起初使用合成的 “curlcake” 构建体进行训练，但发现仅靠合成数据训练的模型存在局限性，无法准确预测单个位置的修饰情况，也难以处理来自人类、小鼠或酵母的天然读取数据。于是，研究人员转变思路，使用体内数据结合 NanoRMS2 软件生成的标签来训练模型。经过一系列优化，成功训练出了 m?ABasecaller。
对 m?ABasecaller 的性能评估结果令人惊喜。研究人员通过与合成的 m?A 修饰数据集进行对比，发现 m?ABasecaller 能够以较高的准确性和较低的假阳性率预测 m?A 修饰。在不同物种，如人类（HEK293T 细胞）、小鼠（mES 细胞）和斑马鱼（4 h - 受精后胚胎）的数据集测试中，m?ABasecaller 都能准确预测 m?A 修饰位点及其化学计量水平，并且具有高度的可重复性。此外，与其他检测方法相比，m?ABasecaller 在低化学计量水平下也能更准确地检测 m?A 修饰，这对于研究体内真实的 m?A 修饰情况至关重要。
研究人员还利用 m?ABasecaller 对 m?A 修饰与其他转录后特征的关系进行了深入探究。通过对 HepG2 细胞的研究发现，m?A 修饰的 mRNA 分子具有显著更长的多聚腺苷酸（polyA）尾巴；m?A 修饰在同一 mRNA 分子上倾向于共发生，且 m?A 修饰化学计量在不同异构体之间差异不大。
在研究结论和讨论部分，m?ABasecaller 的构建为 RNA 修饰研究带来了新的曙光。它能够在碱基识别步骤中直接预测 m?A 修饰，无需依赖对照样本和复杂的后处理步骤，大大提高了检测效率和准确性。同时，研究人员还发现了 m?A 修饰的一些新特性，如 m?A 修饰与 polyA 尾巴长度的关系等，这些发现为深入理解 RNA 修饰的功能和机制提供了重要线索。此外，研究人员开发的生成高质量训练集的方法具有广泛的适用性，可用于训练其他 RNA 和 DNA 修饰的碱基识别模型，为整个 RNA 修饰研究领域开辟了新的道路。
综上所述，这项研究成功构建了 m?ABasecaller，为 RNA 修饰研究提供了强大的工具，加深了人们对 m?A 修饰的认识，推动了 RNA 修饰领域的发展，具有重要的科学意义和应用价值。
