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m6A甲基化酶的种类及功能盘点

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2018年05月10日 来源:联川生物

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  上期内容详细为大家介绍了什么是RNA碱基修饰以及m6A的前世今生,今天的文章围绕m6A甲基化酶展开,盘点了m6A甲基化酶的种类及功能,一起来学习吧~

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上期内容详细为大家介绍了什么是RNA碱基修饰以及m6A的前世今生,今天的文章围绕m6A甲基化酶展开,盘点了m6A甲基化酶的种类及功能,一起来学习吧~


 图1 m6A甲基化加工过程

m6A这种甲基化修饰被证明是可逆化的,包括甲基化转移酶、去甲基化酶和甲基化阅读蛋白等共同参与。其中甲基化转移酶包括METTL3/14、WTAP和KIAA1429等,主要作用就是催化mRNA上腺苷酸发生m6A修饰。而去甲基化酶包括FTO和ALKHB5等,作用是对已发生m6A修饰的碱基进行去甲基化修饰。阅读蛋白主要功能是识别发生m6A修饰的碱基,从而激活下游的调控通路如RNA降解、miRNA加工等。

表1 RNA甲基化酶类型总结

1.m6A甲基化转移酶

甲基化转移酶(methyltransferase)也叫Writers,是一类重要的催化酶,能够让mRNA上的碱基发生m6A甲基化修饰。METTL3、METTL14、WTAP和KIAA1492都属于m6A甲基化转移酶的核心蛋白。这些蛋白并不是各自孤立的,而是会形成复合物(complex)共同行使催化功能。由于酵母和线虫等生物缺少这四种核心蛋白中的一种或几种,所以m6A甲基化修饰属于高等真核生物独有的碱基修饰反应。


 图2 METTL3-METTL14蛋白复合物晶体结构示意图

结构生物学研究表明,METTL3和METTL14这两种蛋白有关键的催化结构域,两者之间会形成杂络物(hetero complex)。其中METTL3是具有催化活性的亚基,而METTL14会在底物识别上起到关键作用。另外WTAP、Vir以及其他类型的factors也是杂络物的重要组成部分。其中WTAP在招募METTL3和METTL14起到十分重要的作用。这些蛋白无论在体内(in vivo)还是体外(in vitro)都会一起对腺苷酸进行甲基化修饰。除了人和小鼠等哺乳动物,果蝇、酵母甚至拟南芥中也发现了类似的同源蛋白(homologous protein)。

2.m6A去甲基化酶

在真核生物中,已发现的m6A去甲基化酶主要包括FTO和ALKBH5等。FTO蛋白全称Fat mass and obesity-associated protein,属于Alkb蛋白家族中的一员并且与肥胖相关。1999年,FTO基因首次在小鼠中被克隆。2007年,三项独立的队列研究分别证实当FTO基因产生突变时,会增加肥胖的风险。同样在小鼠模型中,FTO被敲除或过表达都会显著改变小鼠的体重。2011年,芝加哥大学何川教授在全球首次证实,无论是在DNA还是RNA中,FTO蛋白都是一种十分重要的去甲基化酶。


 图3 FTO蛋白属于Alkb家族,都有特定的结构域对发生甲基化的碱基行使去甲基化的催化功能

FTO蛋白在核心结构域上与Alkb蛋白家族相似,但是C端独有的长loop与Alkb家族其他蛋白有所不同。正是这种特有的结构域使得FTO蛋白能够对发生甲基化的单链DNA或单链RNA进行去甲基化修饰。一旦FTO基因转录水平发生异常,会引起多种疾病如急性髓细胞白血病等。

ALKBH5是另一种重要的去甲基化酶,能够对细胞核中的mRNA进行去甲基化修饰,在N端有丙氨酸富集区和独有的卷曲螺旋结构(coiled-coil structure)。在细胞系中敲低ALKBH5后,mRNA上m6A修饰水平显著上升。

3.m6A甲基化阅读蛋白

发生m6A修饰的mRNA想要行使特定的生物学功能,需要一种特定的RNA结合蛋白——甲基化阅读蛋白,也叫reader。RNA pull-down实验已经鉴定了多种阅读蛋白,包括YTH结构域的蛋白、核不均一核糖蛋白(hnRNP)以及真核起始因子(eIF)等。这些阅读蛋白的功能主要包括特异性结合m6A甲基化区域,削弱与RNA结合蛋白同源结合以及改变RNA二级结构从而改变蛋白与RNA的互作。


 图3 YTH家族蛋白含有YTH521-B同源结构域和P/Q/N-rich结构域

具有YTH结构域的蛋白包括YTHDC1-2和YTHDF1-3等。YTHDF1-3主要在胞浆中特异性识别m6A修饰的mRNA,而YTHDC1-2的作用部位主要在细胞核内。这些蛋白都在C端有YTH结构域,并且能够与m6A motif有重叠从而介导RNA特异性结合,而脯氨酸/谷氨酰胺/天冬酰胺富集(P/Q/N-rich)结构域则与亚细胞定位有关。

eIF3蛋白能够与RNA 5’端UTR上发生m6A修饰的碱基相结合,从而促进mRNA的翻译。这是一种几乎独立于传统的eIF4的激活翻译起始的新机制,RNA在eIF3的作用下招募43s核糖体在5’端Cap形成蛋白复合物。

HNRNPA2B1作为hnRNP家族蛋白中的一员仍然能行使阅读蛋白的功能。与YTHDC1蛋白不同的是,HNRNPA2B1与m6A修饰的碱基不能直接结合。HNRNPA2B1除了激活miRNA初级体(pri-miRNA)下游通路外还与miRNA前体(pre-miRNA)加工有关。

今天的内容讲完啦,大家记得收藏起来慢慢学习哦~

下期预告:m6A检测方法汇总及优劣势比较

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