Nat Commun：何川团队首次在水稻和拟南芥的不同组织中以单碱基分辨率绘制了转录组范围内的m6A图谱

N⁶-甲基腺苷(m⁶A)在mRNA代谢调控中起关键作用。然而，目前还没有报道在不同植物组织中具有单碱基精度的m⁶A甲基组。

2024年6月7日，芝加哥大学何川团队在Nature Communications 在线发表题为“Quantitative profiling of m⁶A at single base resolution across the life cycle of rice and Arabidopsis”的研究论文，该研究使用m⁶A-SAC-seq在水稻和拟南芥的不同组织中以单碱基分辨率绘制了转录组范围内的m⁶A图谱。分析发现，水稻中共有205,691个m⁶A位点分布在22,574个基因中，拟南芥中共有188,282个m⁶A位点分布在19,984个基因中。水稻和拟南芥同源基因对中保守的m⁶A位点参与控制组织发育、光合作用和胁迫响应。在某些植物组织中观察到3 ' UTR m⁶A位点的整体mRNA稳定效应。

与哺乳动物一样，在植物mRNA中也观察到m⁶A水平与内部外显子长度呈正相关，但最后一个外显子除外。数据表明在植物mRNA的停止密码子附近有一个活跃的m⁶A沉积过程。此外，MTA安装的植物mRNA m⁶A位点与翻译促进和翻译抑制相关，描绘了一个更复杂的调控图景。因此，该研究结果为将单碱基分辨率m⁶A位点与植物功能联系起来提供了深入的资源，并揭示了控制m⁶A跨物种生物发生的抑制激活模型。

RNA修饰是mRNA加工和代谢的关键调控因子，包括剪接、3 '端加工、核输出、翻译和衰变。m⁶A被认为是哺乳动物和植物中最丰富的内部mRNA修饰。在拟南芥中，两种不同的m⁶A写入复合物被认为将m⁶A安装在mRNA上。第一个甲基转移酶复合物由哺乳动物m⁶A甲基转移酶复合物组分的五个同源物组成，包括mRNA腺苷甲基化酶(MTA)、MTB、VIRILIZER (VIR)、FKBP12相互作用蛋白37KD (FIP37)和E3泛素连接酶HAKAI。相比之下，FIONA1 (FIO1)是人类甲基转移酶METTL16的拟南芥同源基因，也在U6小核RNA和mRNA亚群中沉积m⁶A修饰。m⁶A书写蛋白复合物的缺陷，如植物中的MTA失效，会导致胚胎致死性表型和应激反应。

对拟南芥书写复合体其他组分的研究表明，FIP37调控茎部干细胞命运，FIO1调控花过渡和叶绿素稳态，VIRILIZER (VIR)对维管发育至关重要；而水稻中FIP37基因的缺陷导致了小孢子的早期退化。m⁶A甲基化可以逆转。RNA m⁶A去甲基化酶ALKBH10B和ALKBH9B是人m⁶A·1去甲基化酶ALKBH5的同源物，影响拟南芥花的转变和病毒感染。在水稻中过表达哺乳动物m⁶A去甲基化酶FTO可以显著提高水稻和马铃薯的生物量和产量，这表明RNA m⁶A甲基化的调节可能是未来作物改良的一种有前途的育种或工程策略。尽管这些观察结果表明植物中的mRNA m⁶A甲基化调控因子与动物相比是保守的，但到目前为止，植物中高分辨率的mRNA m⁶A图谱仍然缺失，m⁶A与植物发育和其他途径的分子水平联系也大多未知。研究人员利用新开发的高分辨率测序方法填补了这一空白。

甲基化RNA m⁶A免疫沉淀测序(MeRIP-seq或m⁶A-seq)已广泛用于鉴定动物和植物中m⁶A富集转录本。然而，这种方法缺乏单碱基分辨率，不能量化修饰的程度。MeRIP-seq的变体，包括m⁶A单个核苷酸分辨率交联和免疫沉淀(miCLIP)，已被开发用于在单碱基分辨率下检测m⁶A位点。不幸的是，这些方法通常显示出低效率的紫外线交联和不能评估修饰化学计量。已经引入了不依赖抗体的单碱基m⁶A分析方法，如m⁶A-REF-seq或MAZTER-seq。然而，这些方法只能识别ACA基序中的RNA修饰，而不能识别其他甲基化基序。

m⁶A-SAC-seq能有效识别植物组织中的m⁶A位点（图源自Nature Communications ）

纳米孔直接RNA-seq (DRS)已被用于绘制m⁶A位点，但用DRS量化m⁶A修饰水平的差异仍然具有挑战性。m⁶A选择性烯丙基化学标记和测序(m⁶A-SAC-seq)作为一种能够以单核苷酸分辨率精确定位整个转录组中单个m⁶A修饰位点的方法。虽然最近报道了基于脱胺的方法也可以在碱基分辨率上绘制m⁶A，但m⁶A-SAC-seq能够将m⁶A作为阳性突变信号而不减法读取，并且优化的方案可以在2-5 ng的输入RNA中工作。因此，研究人员决定部署m⁶A-SAC-seq，以单核苷酸分辨率建立两种不同植物物种(拟南芥和水稻)不同组织类型的mRNA m⁶A综合图谱。

在水稻和拟南芥的整个生命周期中发现了相当多的高可信度m⁶A位点。水稻和拟南芥同源基因对中保守的m⁶A mRNA修饰位点在组织发育、光合作用和胁迫响应中起调控作用。m⁶A水平与内部外显子的长度呈正相关，但在最后一个外显子中没有这种相关性。通过比较人类、水稻和拟南芥的基本分辨率m⁶A分析，揭示了一种独特的m⁶A分布模式，即抑制-激活双重模型支配着人类和植物中的m⁶A沉积。

通过在单碱基分辨率下比较m⁶A水平的强大方法，研究人员注意到水稻和拟南芥在其mRNA的3 ' UTR中具有更高的m⁶A修饰百分比。这些3 ' UTR m⁶A修饰通常稳定mRNA并增强翻译，这些作用与m⁶A部分密切相关。这些观察结果表明，m⁶A修饰的部分和位置对植物mRNA代谢至关重要。此外，研究人员注意到MTA介导m⁶A沉积在拟南芥核和叶绿体基因组转录的光合作用相关基因中。这些m⁶A位点可以通过途径依赖的方式促进或降低翻译效率。总之，在水稻和拟南芥中获得的m⁶A碱基分辨率和定量位点，为进一步研究m⁶A在调节植物发育和进化中的调控作用以及未来的植物工程奠定了基础。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48941-7