非编码 RNA 调控 DNMT3A 的机制：开拓表观遗传学新视野

《Epigenetics & Chromatin》：Mechanism of non-coding RNA regulation of DNMT3A

为探究调控蛋白和组蛋白尾巴存在时，调控 RNA 对 DNMT3A 的调控作用，研究人员开展了非编码 RNA 调控 DNMT3A 机制的研究。结果发现 Fos ecRNA 与 mRNA 相关，且调控 RNA 在多蛋白 - RNA 复合物中主导调节 DNMT3A 活性。该研究为理解表观遗传调控提供了新视角。

　　在生命的微观世界里，基因的表达调控如同精密的交响乐，而 DNA 甲基化则是其中关键的音符。DNA 甲基转移酶 3A（DNMT3A）负责的从头 DNA 甲基化，在转录调控中起着基石般的作用，它受到组蛋白尾巴、调控蛋白和 RNA 等众多生物分子的调控。然而，目前对于这些调控机制之间的相互作用，以及它们如何协同塑造有意义的生物学结果，科学界知之甚少。比如，在 X 染色体失活过程中，组蛋白修饰和 RNA 表达的变化与 DNMT3A 活性之间的关系错综复杂，尚未完全明晰。同时，DNMT3A 在神经元功能、记忆形成等过程中也扮演着重要角色，并且有研究表明，调控 RNA 在中枢神经系统中影响着 DNMT3A 的功能。但 RNA 对 DNMT3A 活性的调节机制，特别是在多种表观遗传机制共同存在的情况下，仍有待深入探索。鉴于此，来自美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校、阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员展开了一项重要研究，旨在揭示非编码 RNA 调控 DNMT3A 的机制。该研究成果发表在《Epigenetics 》杂志上，为我们理解表观遗传调控提供了全新的视角，对深入探究基因表达调控的奥秘具有重要意义。

研究人员采用了多种关键技术方法。其中，单分子荧光原位杂交（smFISH）技术用于在单细胞水平可视化 Fos ecRNA 和 mRNA 转录本，以探究它们的分布和相关性；通过构建表达重组人蛋白的质粒，表达并纯化了 DNMT3A 和 DNMT3L 等蛋白；运用计算建模预测 Fos - 1 ecRNA 与 DNMT3A 的结合表面；利用甲基化测定评估 DNMT3A 在不同条件下的活性；借助荧光各向异性测量监测蛋白与 RNA 的相互作用。

研究结果如下：

1. Fos ecRNA 与 mRNA 的相关性：通过 smFISH 技术发现，在单细胞水平上，Fos ecRNA 和 Fos mRNA 转录本数量显著相关，且神经元去极化刺激（KCl 处理）会使 Fos ecRNA 转录本数量增加，同时 Fos mRNA 计数在有 Fos ecRNA 存在的细胞中才会增加，表明 ecRNAs 在单细胞水平上对靶基因的转录调控有贡献。
2. Fos - 1 ecRNA 与 DNMT3A 的结合及抑制机制：实验表明，Fos - 1 ecRNA 不与 Fos 基因特定片段形成复合物，且其对 DNMT3A 的抑制作用不依赖于 DNA - Fos ecRNA 复合物的形成。研究还发现，DNMT3A 催化结构域（DNMT3A_CD）四聚体界面突变体对 Fos - 1 ecRNA 抑制酶活性的反应存在差异，Fos - 1 ecRNA 可能通过与 DNMT3A 四聚体界面的残基相互作用来调节其活性，且这种抑制作用是通过变构机制实现的，并非与底物 DNA 竞争。
3. DNMT3L 对 Fos - 1 ecRNA 抑制作用的影响：DNMT3L 作为 DNMT3A 的激活因子，能与 DNMT3A 形成异源四聚体。研究发现，虽然 DNMT3A_CD R771A 同二聚体对 Fos - 1 ecRNA 的调节作用无反应，但 DNMT3A_CD R771A - DNMT3L 异源四聚体可恢复 Fos - 1 ecRNA 对其酶活性的抑制作用，说明 DNMT3L 可调节 Fos - 1 ecRNA 对 DNMT3A 突变体的抑制效果。
4. Fos - 1 ecRNA 在多蛋白 - RNA 复合物中的调控作用：在存在组蛋白 H3 尾巴和 DNMT3L 的情况下，Fos - 1 ecRNA 对 DNMT3A^FLWT（全长野生型 DNMT3A）活性的调节起主导作用。实验显示，Fos - 1 ecRNA 可进入与组蛋白 H3 尾巴结合的 DNMT3A 复合物中，并破坏 H3K4me0 肽对 DNMT3A 的激活作用，且在使用组装成多聚核小体的 p15 作为底物时，过量的 Fos - 1 ecRNA 能抑制 DNMT3A^FLWT的活性，在 DNMT3A - 组蛋白 H3 尾巴 - 调控蛋白 - RNA 复合物中，调控 RNA 对 DNMT3A 甲基化活性的调节占主导地位。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了 ecRNAs 在单细胞水平上对靶基因转录调控的作用，并且表明这种调控可能不依赖于 ecRNA - DNA 复合物，而是通过 ecRNA 直接结合到 DNMT3A 的四聚体界面来实现。这一发现拓展了我们对调控非编码 RNA 在表观遗传调控中作用的理解。同时，研究还强调了 DNMT3A 四聚体界面在蛋白质 - RNA 相互作用中的重要性，为进一步研究 DNMT3A 的调控机制提供了新的方向。此外，该研究对于理解急性髓系白血病（AML）和子宫体子宫内膜癌（UCEC）等疾病中异常 DNA 甲基化与调控 RNA 之间的关系具有重要意义，有望为相关疾病的治疗提供潜在的靶点和理论依据，在生命科学和健康医学领域具有广阔的应用前景。