RNA修飾的口述歷史I表觀遺傳的黃金時(shí)代

RNA修飾的口述歷史I｜表觀遺傳的黃金時(shí)代編者按科研工作諸多時(shí)候是從無(wú)到有的，開(kāi)創(chuàng)新的方向新的概念始終是科研工作者的重要目的之一，表觀遺傳作為在近年來(lái)含有活力的領(lǐng)域更是如此。近日，《自然》雜志發(fā)表了專項(xiàng)報(bào)道講述表觀遺傳新方向——RNA修飾領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程、成績(jī)及爭(zhēng)鳴。在此，23Plus請(qǐng)到了這段歷史中的重要親歷者，讓他們來(lái)講述這段驚心動(dòng)魄的歷程，給我們讀者真實(shí)展示一種正在快速發(fā)展的科研領(lǐng)域。讓我們用這篇精彩文章作為整個(gè)系列的開(kāi)篇，揭開(kāi)這個(gè)系列的序幕。DNA與RNA上的分子標(biāo)記是如何被重新發(fā)現(xiàn)？又是如何為基因體現(xiàn)調(diào)控的研究注入了新生？許多杰出的大想法似乎只是憑空而來(lái)，但是對(duì)于的何川專家來(lái)說(shuō)，他正絞盡腦汁地試圖擠出一種好想法。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（USNationalInstitutesofHealth，縮寫(xiě)為NIH）剛剛推出一系列項(xiàng)目，打算重金支持某些高風(fēng)險(xiǎn)、高收益的研究課題。作為伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的一名化學(xué)家，何川專家也想申請(qǐng)這個(gè)項(xiàng)目——但是他還缺少一種好想法。在這之前，何川專家研究的是一種修復(fù)DNA損傷的蛋白質(zhì)家族；但是，他懷疑這些酶同樣也能作用于RNA?？赡苁切疫\(yùn)女神的眷顧，有天，何川專家偶然遇見(jiàn)了在同一棟大樓里工作的潘滔專家，潘滔專家是芝加哥大學(xué)的一位分子生物學(xué)家，專門研究RNA上一種特定的化學(xué)修飾——甲基化修飾。自此之后，兩人頻繁見(jiàn)面，通過(guò)一次次激烈的討論，一種大膽的想法逐步成型。當(dāng)時(shí)，生物學(xué)家們正在為表觀基因組（epigenome）的發(fā)現(xiàn)雀躍不已——無(wú)數(shù)種化學(xué)修飾的組合修飾著DNA和它們纏繞的蛋白骨架。這些標(biāo)記就像一種個(gè)化學(xué)注釋，告訴細(xì)胞哪些基因需要體現(xiàn)，哪些基因應(yīng)當(dāng)沉默。通過(guò)這些標(biāo)記，表觀基因組能夠協(xié)助科學(xué)家們解釋為什么盡管細(xì)胞擁有相似的DNA，卻能分化發(fā)育成不同的特化類型，形成構(gòu)造、功效各不相似的不同組織。舉個(gè)例子，就是在這些標(biāo)記的協(xié)助下，心肌細(xì)胞才干維持自己的身份，不會(huì)變成神經(jīng)元細(xì)胞或是脂肪細(xì)胞。值得一提的是，癌癥細(xì)胞中的表觀遺傳標(biāo)記經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)紊亂。NikSpencer/Nature在兩人合作的早期，大多數(shù)表觀遺傳學(xué)的研究工作都還集中在DNA和包裝它們的組蛋白（histone）上。于此形成對(duì)比的是，盡管人們已在RNA上發(fā)現(xiàn)了近百種化學(xué)修飾，卻根本沒(méi)有人懂得這些修飾的作用。何川專家正在研究的一類酶能夠移除甲基基團(tuán)，擦除甲基化修飾；于是兩人不禁猜想，說(shuō)不定在這些酶中，會(huì)有一兩個(gè)也能在RNA上發(fā)揮相似的作用。再進(jìn)一步假設(shè)，如果這種化學(xué)修飾是可逆的（即能通過(guò)生物反映加上和移除），那么它們就可能參加調(diào)控了一種操控基因體現(xiàn)的全新方式。，兩人獲得了資金支持，正式開(kāi)始尋找RNA上的可逆化學(xué)標(biāo)記，以及與之對(duì)應(yīng)的擦除標(biāo)記的蛋白質(zhì)。九年之后，這類研究獲得了一種有關(guān)自己的學(xué)名：表觀轉(zhuǎn)錄組（epitranscriptome）。何川專家和其它研究者們揭示了腺嘌呤（A，RNA的四種堿基之一）上的甲基化修飾在細(xì)胞分化的過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，同時(shí)，這種修飾也很可能與癌癥、肥胖以及更多其它的疾病有關(guān)1，2。，何川實(shí)驗(yàn)室與其它兩個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)了在DNA的腺嘌呤上也存在著同樣的甲基化修飾；在這之前，甲基化修飾只在胞嘧啶（C）上被發(fā)現(xiàn)——這再次擴(kuò)大了表觀基因組的豐富程度3。大量的研究工作開(kāi)始跟進(jìn)，“我認(rèn)為我們正逐步靠近一種表觀基因組和表觀轉(zhuǎn)錄組的黃金時(shí)代?！奔~約州WeillCornell醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家ChristopherMason這樣告訴我們，“我們已經(jīng)能夠漸漸確實(shí)地‘看見(jiàn)’這些我們?cè)缇投脮?huì)在那里的化學(xué)修飾了?！眒RNA——不只是信使分子生物學(xué)的黃金法則——中心法則——告訴我們，遺傳信息從DNA傳到RNA，再?gòu)腞NA流向蛋白質(zhì)。由此，許多科學(xué)家都僅僅將RNA看作是DNA和蛋白質(zhì)之間的傳信員，將細(xì)胞核內(nèi)編碼的遺傳信息送往細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的蛋白質(zhì)工廠，這也造成了極少會(huì)有研究者會(huì)對(duì)mRNA上的化學(xué)修飾產(chǎn)生愛(ài)好。RNA上的修飾甚至一向就不是一種未被發(fā)現(xiàn)的秘密。將何川推上表觀轉(zhuǎn)錄組研究最前沿的化學(xué)修飾，其實(shí)早在1974年就在mRNA上被人發(fā)現(xiàn)4。東蘭辛市密歇根州立大學(xué)的有機(jī)化學(xué)家FritzRottman當(dāng)時(shí)偶然在腺嘌呤上發(fā)現(xiàn)了一種甲基基團(tuán)，于是理所固然的，他開(kāi)始探究RNA在基因調(diào)控體現(xiàn)中發(fā)揮的作用。這種帶有甲基化修飾的腺嘌呤被稱作N6-甲基化腺嘌呤（N6-methyladenosine），一種更加順口的叫法是m6A。于是，Rottman和他的同事發(fā)表了有關(guān)論文，指出RNA甲基化很可能是一種轉(zhuǎn)錄本選擇性體現(xiàn)蛋白質(zhì)的調(diào)控機(jī)制?！暗沁@一切都只是我們的猜想?！盞arenFriderici的語(yǔ)調(diào)有些無(wú)奈，她是1974年Rottman論文的作者之一，也是密歇根州立大學(xué)的一名遺傳學(xué)家。在上個(gè)世紀(jì)70年代，研究小組缺少有效的研究辦法來(lái)探究這些分子標(biāo)記的真實(shí)功效，“當(dāng)時(shí)分子生物學(xué)才剛剛起步，許多現(xiàn)在唾手可得的研究技術(shù)在當(dāng)時(shí)根本沒(méi)有出現(xiàn)?！彼忉尩?。哪怕是在論文發(fā)表的30年之后，擺在何川和潘滔面前的仍舊還是同一種科學(xué)問(wèn)題——缺少有效的實(shí)驗(yàn)辦法?！跋胍_實(shí)地研究這些化學(xué)修飾其實(shí)是很難的?！迸颂蠈＜疫@樣告訴我們。它需要高分辨、高效率的質(zhì)譜儀，以及高通量的測(cè)序技術(shù)。世上無(wú)難事，只怕有心人。在何川實(shí)驗(yàn)室的兩名組員：付曄和賈桂芳的努力下，研究獲得了突破性的進(jìn)展。付曄（現(xiàn)哈佛大學(xué)博士后）和賈桂芳（現(xiàn)北京大學(xué)研究員）當(dāng)時(shí)正將注意力集中在一種名為FTO的蛋白質(zhì)上；FTO蛋白是何川課題組研究的去甲基酶家族中的一種部分。兩人認(rèn)為FTO蛋白很可能會(huì)移除RNA上的甲基化修飾，但是要找到酶的底物并不簡(jiǎn)樸。付曄和他的同事們開(kāi)始合成帶有不同修飾的RNA片段，然后一種一種嘗試，看FTO與否能夠擦除它們。這是一項(xiàng)耗時(shí)巨大的緩慢過(guò)程，在整整三年的時(shí)間里，研究小組失敗了無(wú)多次?！拔?guī)缀醵伎煊X(jué)得我永遠(yuǎn)都不可能找到FTO的功效了?！备稌峡嘈χ叵肫鹉嵌螝q月。，研究小組終于試到了他們的“真命天子”——m6A，即帶有甲基化修飾的腺嘌呤。這一次，甲基化如預(yù)期般消失了。這是RNA上的修飾第一次被證明是可逆的5，就像那些在DNA和組蛋白上被發(fā)現(xiàn)的修飾同樣。對(duì)何川專家來(lái)說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)成果看上去足以成為證明RNA系統(tǒng)參加基因體現(xiàn)調(diào)控的重要證據(jù)。證據(jù)累積何川課題組并不是唯一一種對(duì)m6A產(chǎn)生愛(ài)好的課題組。，兩組獨(dú)立的科研人員初次分別發(fā)表了m6A修飾的分布圖6，7。研究成果揭示了來(lái)自7000多個(gè)基因上的、超出1個(gè)的mRNA的甲基化位點(diǎn)?！霸谶@之前的許數(shù)年里，我們都只能在黑暗中探索——好在立刻就能在廣闊明亮的新視野里繼續(xù)研究了?！边@句話摘自發(fā)表在Science上的一篇論文8，該文作者是DanDominissini，他也是m6A定位研究的作者之一。根據(jù)分布圖的成果顯示，m6A的分布并不是隨機(jī)的。根據(jù)m6A在基因組（轉(zhuǎn)錄組）上出現(xiàn)的位置，研究者們懷疑它很可能參加調(diào)控了RNA可變剪切（alternativesplicing）的過(guò)程。RNA的可變剪切是一種重要的調(diào)控機(jī)制，這種機(jī)制使擁有相似基因組的不同細(xì)胞能夠特異性地體現(xiàn)不同的蛋白質(zhì)。在過(guò)去的幾年里，科研人員又找到了某些參加調(diào)控這些修飾標(biāo)記的生化機(jī)制。每一種機(jī)制都需要三種重要的元件參加：加上修飾的修飾因子（writer），移除修飾的擦除因子（eraser），以及識(shí)別特定修飾的識(shí)別子（reader）（詳見(jiàn)示意圖）。當(dāng)這一系列與m6A互作的蛋白質(zhì)的性質(zhì)被一一解讀之后，科學(xué)家們開(kāi)始逐步意識(shí)到，m6A不僅可能影響RNA的可變剪切，還會(huì)影響蛋白質(zhì)翻譯以及RNA的穩(wěn)定程度。NikSpencer/Nature舉例來(lái)說(shuō)，m6A的一種識(shí)別子就能將帶有這種標(biāo)記的mRNA分子送往細(xì)胞內(nèi)的降解工廠，促使這些mRNA更快降解。而另一種識(shí)別子卻能引導(dǎo)帶有甲基化修飾的RNA定位至核糖體，增進(jìn)該蛋白質(zhì)的合成。那么，我們不禁會(huì)問(wèn)，終究是什么因素決定了m6A在細(xì)胞中起到的作用呢？m6A終究是協(xié)助蛋白質(zhì)合成，還是破壞轉(zhuǎn)錄本呢？有兩個(gè)因素決定了標(biāo)記的作用：該修飾在轉(zhuǎn)錄本上的位置，以及與修飾結(jié)合的識(shí)別子蛋白的性質(zhì)。但是要是想繼續(xù)進(jìn)一步研究，理清這兩者背后的生化機(jī)制的話，無(wú)數(shù)的工作與挑戰(zhàn)都會(huì)隨之而來(lái)。以色列特拉維夫大學(xué)（TelAvivUniversity）遺傳學(xué)家GideonRechavi客觀地指出了研究的巨大難度，他也參加了繪制了m6A的分布圖譜。但是現(xiàn)在，科研人員最少能夠擬定m6A修飾在細(xì)胞分化的過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。缺少該修飾的細(xì)胞將會(huì)停留在類似干細(xì)胞（stem-）或祖細(xì)胞（progenitor-）的狀態(tài)。這種缺失也可能造成致死的后果：當(dāng)何川及其共同工作者將小鼠中的一種m6A修飾因子失活之后，許多胚胎在尚未出生前就胎死腹中。對(duì)于m6A的作用，何川有一種自己的假設(shè)。當(dāng)細(xì)胞狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候（例如在分化時(shí)期），細(xì)胞內(nèi)的mRNA固然也會(huì)發(fā)生變化。這種mRNA水平上的變化（何川專家將它稱作‘轉(zhuǎn)錄組切換’transcriptomeswitch）必須是精確的，且必須發(fā)生在特定的時(shí)間段。何川專家認(rèn)為，甲基化修飾很可能是一種細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄本的“時(shí)鐘標(biāo)記”，使數(shù)千條的mRNA能夠同時(shí)發(fā)生變化。固然也不是全部人都信這一套。一位自稱是“RNA怪才”的生物學(xué)家WendyGilbert（MIT麻省理工學(xué)院）就認(rèn)為什么川的理論有些言過(guò)其實(shí)，“這樣數(shù)年以來(lái)，有一點(diǎn)我是很佩服他的——何川始終孜孜不倦地努力強(qiáng)調(diào)這些分子標(biāo)記真正重要的地方?！彼@樣說(shuō)道。但同時(shí)她也指出，很顯然尚有許多其它的途徑也參加調(diào)控了基因的體現(xiàn)。一種很容易想到的例子就是microRNA——一類不編碼蛋白質(zhì)，卻參加基因沉默的小片段RNA?！拔也徽J(rèn)為m6A是達(dá)成這一切的唯一途徑?！彼a(bǔ)充道。腺嘌呤中的奧秘科學(xué)家們很早就懂得構(gòu)成RNA的四種堿基上都存在著許多化學(xué)修飾的類型，而與此相對(duì)的，哺乳動(dòng)物的DNA上似乎只有相稱有限的修飾標(biāo)記，并且都發(fā)生在胞嘧啶上。哺乳動(dòng)物中最常見(jiàn)的DNA修飾是5-甲基胞嘧啶，也被稱為5mC，這種化學(xué)修飾極其重要，人們常把它當(dāng)作是A、T、C、G之外的第五種堿基。然而即便如此，何川卻仍舊懷疑在基因組中還存在著其它的修飾標(biāo)記。在細(xì)菌中存在著一類與m6A對(duì)等的DNA修飾——N6-甲基腺嘌呤，或6mA?！凹?xì)菌運(yùn)用甲基化來(lái)分辨內(nèi)源、外源的DNA?！瘪R薩諸塞州波士頓小朋友醫(yī)學(xué)院的生物化學(xué)家EricGreer這樣告訴我們。但是研究人員始終沒(méi)能在更復(fù)雜的生命系統(tǒng)中確認(rèn)6mA的存在。，何川實(shí)驗(yàn)室的博士后付曄找到了一篇上世紀(jì)70年代的文獻(xiàn)，該文獻(xiàn)證明在海藻的DNA上發(fā)現(xiàn)了甲基化修飾的腺嘌呤9?！皼](méi)有人懂得這種修飾終究起了什么作用，也沒(méi)有人繼續(xù)跟進(jìn)這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)?！备稌险f(shuō)道。付曄和當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的另一名博士后駱觀正決定將這項(xiàng)研究工作繼續(xù)下去，繪制出6mA在海藻ChlamydomonasDNA上的分布圖譜。他們?cè)诔?4，000個(gè)基因上都發(fā)現(xiàn)了6mA修飾的痕跡，并且6mA的分布并不是隨機(jī)的，它們團(tuán)聚在轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)?！拔覀冇^察到某些峰值呈現(xiàn)出周期性的分布，一種接著一種。”付曄這樣描述。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們推測(cè)6mA修飾或許能夠增進(jìn)基因的活化。而在距離他們公里左右的波士頓，研究員Greer和他的同事們?cè)诰€蟲(chóng)（Caenorhabditiselegans）的基因組里發(fā)現(xiàn)了6mA。Greer當(dāng)時(shí)是施揚(yáng)老師實(shí)驗(yàn)室的一名博士后，正在運(yùn)用線蟲(chóng)的一類突變體研究表觀遺傳的代際傳遞，這類突變體的生育能力會(huì)隨著世代的傳遞逐步減少。Greer想懂得這種不育的特性是如何實(shí)現(xiàn)由親本向子代的傳遞。長(zhǎng)久以來(lái)，人們始終都認(rèn)為線蟲(chóng)缺少甲基化修飾的分子標(biāo)記，但是Greer想再試一試，用結(jié)合特定甲基化修飾的抗體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證。他們確實(shí)沒(méi)有找到任何5mC，但是他們卻檢測(cè)到了6mA。更加令人興奮的是，他們發(fā)現(xiàn)在生育能力更差的世代當(dāng)中，6mA的水平提高了，“這闡明6mA很有可能就是一種傳遞表觀遺傳信息的載體?！盙reer說(shuō)道。這個(gè)實(shí)驗(yàn)成果出乎了全部人的意料，在這之前，人們并不是沒(méi)有在多細(xì)胞生物中尋找過(guò)6mA，但是由于6mA的體現(xiàn)水平實(shí)在太低了，沒(méi)有人能夠真正檢測(cè)到它的存在。聯(lián)系Greer的發(fā)現(xiàn)，施揚(yáng)老師想起了何川實(shí)驗(yàn)室在海藻中發(fā)現(xiàn)了6mA，他覺(jué)得這是一種合作的好機(jī)會(huì)。當(dāng)何川專家據(jù)說(shuō)了施揚(yáng)老師的發(fā)現(xiàn)后，他也十分激動(dòng)，當(dāng)即就決定合作。幾個(gè)月之后，何川專家又碰到了另一名同行，他在果蠅里也發(fā)現(xiàn)了6mA修飾的存在?！拔耶?dāng)時(shí)激動(dòng)得都快暈倒了?！焙未ǜ嬖V我們。4月，這三篇論文同時(shí)發(fā)表在Cell上10-12。并不是只有何川等人才對(duì)6mA感愛(ài)好。當(dāng)時(shí)正在耶魯大學(xué)研究表觀遺傳學(xué)的AndrewXiao在論文發(fā)表后看到了這三篇研究，Xiao和他的同事們已在哺乳動(dòng)物細(xì)胞里發(fā)現(xiàn)了6mA的存在，但是他們還沒(méi)有發(fā)表這項(xiàng)研究成果，“我們?cè)瓉?lái)放心地覺(jué)得沒(méi)人會(huì)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生愛(ài)好的?！盭iao也很無(wú)奈，Cell上發(fā)表的論文告訴了他這個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)，“我們意識(shí)到我們得抓緊時(shí)間了?！币荒曛?，Xiao和他的同事們證明了6mA以極低的濃度出現(xiàn)在了小鼠的胚胎干細(xì)胞之中。當(dāng)研究者們細(xì)究6mA的分布時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)6mA的最高峰值都集中在X染色體上——這似乎暗示了6mA參加介導(dǎo)了基因沉默。同時(shí)，研究者們也發(fā)現(xiàn)了一種疑似6mA擦除因子的蛋白質(zhì)。直到現(xiàn)在，Xiao還不能闡明6mA的作用。但是他還是告訴我們，6mA應(yīng)當(dāng)類似于一種分子開(kāi)關(guān)，在發(fā)育過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。它僅僅在很短的時(shí)間內(nèi)存在著——然后就像有一陣大浪襲來(lái)，全部的標(biāo)記都會(huì)像沙灘留痕普通消逝無(wú)蹤?！癤iao的論文對(duì)我們而言簡(jiǎn)直是一枚重磅炸彈?！蓖柨的螤栣t(yī)學(xué)院的研究者SamieJaffrey這樣評(píng)論，“它明確指出了6mA是一種功效性的元件?！笔P(yáng)老師和何川老師都表達(dá)他們也在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了6mA的存在，但是具體的實(shí)驗(yàn)成果尚未發(fā)表。但是研究者們也不能過(guò)分樂(lè)觀，施揚(yáng)老師告訴我們，對(duì)6mA生物學(xué)意義的研究尚有很長(zhǎng)的路要走。即使是運(yùn)用現(xiàn)有的最先進(jìn)的技術(shù)，也只能堪堪檢測(cè)到6mA修飾，并不能實(shí)現(xiàn)該修飾的精擬定位；并且不同組織中6mA的修飾模式也可能存在很大的差別。同時(shí)，尚有某些核心的問(wèn)題也尚待解決。紐約大學(xué)藥學(xué)院遺傳學(xué)家MamtaTahiliani就認(rèn)為即使有關(guān)6mA的研究工作相稱振奮人心，但不可否認(rèn)的是，還沒(méi)有一項(xiàng)研究工作能夠令人信服地證明該標(biāo)記能夠遺傳給后裔——而可遺傳正是表觀遺傳中不可或缺的特性之一。尋找新標(biāo)記——工作進(jìn)行中正當(dāng)不少