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表观转录组:新兴领域的机会和挑战

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2018年2月9日 来源:生物通

摘要:

  2012年,RNA表观遗传学的先驱人物、康奈尔大学的助理教授Christopher Mason与Samie Jaffrey发表了第一篇绘制表观转录组的论文。他们发现腺苷N6位置的甲基化(m6A)是细胞mRNA中普遍存在的修饰。

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DNA修饰是一个相当热门的研究领域,相比之下,RNA修饰是一片未曾开垦的荒地。事实上,几年前,这个领域甚至是不存在的。

2012年,RNA表观遗传学的先驱人物、康奈尔大学的助理教授Christopher Mason与Samie Jaffrey发表了第一篇绘制表观转录组的论文1。他们发现腺苷N6位置的甲基化(m6A)是细胞mRNA中普遍存在的修饰。“我们大约花了20%的篇幅来验证抗体,以确保我们的结果是真实可重复的,”Mason说。

如今,五年过去了,多家公司推出了多种抗体、试剂和技术来研究表观转录组,比如Epigentek、Qiagen、Synaptic Systems和Abcam。Mason现正在领导NASA的双胞胎太空旅行前后的DNA和RNA甲基化研究,它主要研究环境因素如何影响RNA和DNA的化学修饰。

同时,这个年轻的领域也开始展现在人类疾病中的意义。“去年发表的研究已经证明m6A在区分高风险和低风险白血病中的作用,而我们也看到了它对于脑癌的意义,”Mason解释说。

“RNA修饰在病毒中也同样存在。到目前为止,我们研究的所有RNA都带有某种RNA修饰,一些m6A或碱基动态是我们没有见过的。”去年,Mason与杜克大学的合作者绘制了各种病毒中的m6A,包括丙肝病毒、寨卡病毒、登革热病毒、西尼罗河病毒和黄热病病毒。

“现在,我们已经知道了大约120个RNA的表观遗传标记,但也许有300个,甚至有1000个。RNA的整体可塑性仍然有待探索,”Mason补充说。“接下来的问题是,它是否会成为一些治疗行动的目标。”

如何研究m6A?

Epigentek公司的运营副总裁William Lee认为,推动这个领域前进的主要挑战是建立可靠且有用的方法,比如RNA修饰测序,从而以单碱基分辨率鉴定包括m6A在内的RNA修饰。MeRIP-seq(甲基化RNA免疫沉淀测序)的出现,大大推动了这个领域的发展。不过,它的分辨率大约为100 nt,而不是单碱基。

最近,技术又有了新进展。研究人员发现,含有m6A的RNA与相应抗体结合以后,逆转录得到的cDNA会出现突变或者截断,这样就可以指示m6A的存在。于是,他们用紫外光诱导m6A抗体与RNA交联,然后通过逆转录获得了代表m6A的特征突变。相关研究成果由Jaffrey和Mason于2015年发表在《Nature Methods》上2。

当然,谈到m6A,还有一位不得不提的人物,那就是芝加哥大学的何川(Chuan He)教授。2010年,他提出RNA甲基化和DNA甲基化一样是可逆的。2011年,他发现并发表了第一个RNA脱甲基酶,这在很大程度上促进了表观转录组的研究工作。他认为:“我们需要一种RNA甲基化测序的定量方法,相当于DNA甲基化的亚硫酸氢盐测序。你想知道修饰发生在什么位置,是25%还是50%?这是我们的第一个挑战。”

面临各种挑战

对于目前的分析方法,限制在于需要大量的起始材料。何教授认为,这基本上排除了研究特定神经元的可能性。“m6A甲基化在神经系统的早期发育中起到了至关重要的作用,而你需要区分不同类型的神经元。目前很难利用有限的材料开展定量测序,如活检样本。”

QIAGEN的全球产品经理Samuel Rulli也同意,RNA的复杂性使其处理起来比DNA更困难。“你需要一种方法来分离RNA,并随着修饰而改变,然后再进行下游处理。从高质量的样品开始,也许能帮助你获得可重现的结果。在这种早期的研究阶段,保持分析的一致性至关重要。”

何教授认为,另一个挑战在于读取同一条RNA上的不同修饰。“按照目前的方法,在你处理一个细胞时,你会获得平均值。问题是,这些修饰是协同作用,还是各不相干?最好有一种方法能够检查每条mRNA,读取所有的修饰,而不仅仅是m6A,看看它们是如何共存的。如果我们能够解决这个问题,那么这将开辟巨大的研究可能性。”

Mason表示,直接的RNA纳米孔测序也许能解决一些问题。“过去,我们通常是利用抗体或化学分析来推断RNA的修饰状态。直到去年,我们才开始进行直接的RNA测序。利用纳米孔测序仪,我们能够直接测序RNA,而不需要逆转录。我们第一次直接测定RNA修饰:整个分子存在哪些修饰,又存在哪些异构体。”他的研究小组正准备发表几篇论文。

“在过去的一年里,人们开始认识到表观转录组从根本上影响了基因表达,”他指出。“不过,不同的细胞类型和发育阶段的表观转录组如何,特异性如何实现,调控又是如何做到的,探索才刚刚开始。对我而言,这个领域才刚刚起步。”

(作者:Gina Shaw / 生物通编译)

参考文献

1 Meyer KD, Saletore Y, Zumbo P et al. Comprehensive analysis of mRNA methylation reveals enrichment in 3' UTRs and near stop codons. Cell. 2012 Jun 22;149(7):1635-46.

2 Linder B, Grozhik AV, Olarerin-George AO et al. Single-nucleotide-resolution mapping of m6A and m6Am throughout the transcriptome. Nat Methods. 2015 Aug;12(8):767-72.

(http://www.ebiotrade.com/)
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