mRNAm6A通过 5’ UTR 区 H3K4me3 修饰调控基因表达的新发现

为探究 mRNAm6A在 5’ UTR 的作用及与组蛋白修饰关系，研究发现其调控 H3K4me3 修饰影响基因表达和叶片衰老。

　　在生命科学的微观世界里，RNA 和组蛋白就像两个神秘的 “魔法师”，它们操控着基因表达的 “魔法”，影响着生物的生长、发育和衰老。其中，^m6A作为真核生物中常见且保守的 RNA 修饰，一直是科研人员关注的焦点。以往的研究大多聚焦于^m6A在 3’非翻译区（3’ UTR）的功能，对 5’非翻译区（5’ UTR）的^m6A修饰却知之甚少，它与组蛋白修饰之间的关系更是迷雾重重。这些未知就像一道道谜题，吸引着科研人员去探索。

为了揭开这些谜题，南京农业大学的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一系列研究，旨在深入了解^m6A修饰在 5’ UTR 的功能，以及它与组蛋白修饰之间的联系。最终，他们的研究成果发表在《Genome Biology》杂志上。

研究人员运用了多种关键技术方法。通过对公开的 meRIP-seq 和 RNA-seq 数据重新分析，以及在拟南芥、水稻和菊花中进行 meRIP-seq 实验，研究^m6A修饰与基因表达的关系；利用 ChIP-seq 技术，研究 H3K4me3 和 H3K27me3 等组蛋白修饰与^m6A修饰的相关性；借助蛋白质 - 蛋白质相互作用实验，如 split-luciferase complementation（Split-LUC）成像和 pulldown 实验，探究 MTA、ATX1 与 RNA 聚合酶 II CTD 结构域的相互作用。

研究结果如下：

1. 5’ UTR 区^m6A甲基化抑制基因表达：研究人员重新分析拟南芥、水稻和菊花的 meRIP-seq 和 RNA-seq 数据，根据^m6A甲基化在基因转录本中的位置将基因分组。结果发现，5’ UTR 区有^m6A甲基化的基因（^m6A₅基因）表达水平最低，且^m6A修饰水平与靶 mRNA 丰度呈负相关，表明 5’ UTR 特异性^m6A修饰与低转录水平相关，且这种现象在不同植物中保守存在。
2. H3K4me3 参与^m6A修饰基因的转录调控：重新分析 H3K4me3 和 H3K27me3 数据集发现，约 60% 的 H3K4me3 标记基因存在^m6A修饰，且在^m6A修饰基因附近 H3K4me3 显著富集。在水稻中也得到类似结果，表明 H3K4me3 参与^m6A修饰基因的转录调控，且这种共富集现象在不同植物物种中保守存在。
3. 5’ UTR 区^m6A沉积使 H3K4me3 修饰发生位移：研究拟南芥不同基因组 TSS 区域周围的 H3K4me3 修饰谱，发现^m6A₅基因的 H3K4me3 修饰水平较低，且与^m6A₃基因相比，H3K4me3 富集峰位置发生了 60bp 的下游位移。在水稻和菊花中也观察到类似的下游位移现象，且^m6A修饰水平与 H3K4me3 富集峰下游位移呈正相关，说明 H3K4me3 修饰位移与^m6A修饰相关。
4. H3K4me3 的下游位移受^m6A写入和擦除酶的遗传影响：利用 alkbh10b-2 突变体（^m6A擦除酶基因 ALKBH10B 突变）进行 ChIP-seq，发现突变体中^m6A₅基因的 H3K4me3 发生了 100bp 的下游位移。通过在拟南芥原生质体细胞中进行相关实验，证实^m6A写入酶 MTA 和擦除酶 ALKBH10B 影响 H3K4me3 修饰位移。
5. ^m6A介导的基因表达依赖于 5’ UTR 区 H3K4me3 修饰：对 atx1-2 和 sdg2-1 突变体（H3K4 三甲基化相关基因 T-DNA 插入突变体）进行 meRIP-seq 分析，发现突变体中 5’ UTR 区^m6A修饰水平升高，且^m6A修饰与基因表达及 H3K4me3 修饰位移的相关性在突变体中减弱，表明 H3K4me3 修饰对^m6A在 5’ UTR 区的调控作用至关重要。
6. MTA 和 ATX1 与 RNA 聚合酶 II 的 CTD 结构域相互作用：通过 Split-LUC 成像和 pulldown 实验，发现 MTA、ATX1 均能与 RNA 聚合酶 II 的 CTD 结构域相互作用，且这种相互作用在植物物种间保守。进一步研究发现，MTA 能与 ATX1 竞争结合 RNA 聚合酶 II 的 CTD 结构域，且 MTA 对 Ser5P-CTD 的结合亲和力更高。
7. ALKBH10B 与 MTA 竞争结合 RNA 聚合酶 II 的 Ser5P-CTD：通过 Split-LUC 和 pulldown 实验，发现 ALKBH10B 能与 RNA 聚合酶 II 的 CTD 结构域相互作用，并与 MTA 竞争结合 Ser5P-CTD，影响 MTA 在转录起始时的结合。
8. 5’ UTR 区^m6A介导的 H3K4me3 位移参与叶片衰老调控：对^m6A₅基因进行 GO 分析，发现其富集于组蛋白甲基化、发育、细胞死亡和代谢过程等相关功能。研究 alkbh10b 突变体和野生型植株，发现^m6A修饰和 H3K4me3 修饰在叶片衰老过程中对 SEDOHEPTULOSE-BISPHOSPHATASE（SBPASE）基因表达有调控作用，进而影响叶片衰老。

研究结论和讨论部分表明，该研究揭示了^m6A修饰在 5’ UTR 区域通过调控 H3K4me3 修饰，精细调节靶基因表达，参与叶片衰老过程。这一发现为理解^m6A修饰的功能及与组蛋白修饰的相互作用提供了新视角，为后续研究基因表达调控机制开辟了新方向。尽管目前仍有一些问题有待解决，如 H3K4me3 修饰位移的精确功能意义尚未完全阐明，但该研究成果无疑为生命科学领域的发展添上了浓墨重彩的一笔。