The dynamic N1-methyladenosine methylome in eukaryotic messenger RNA

1.文章简介

2.研究背景

近些年研究表明N6-methyladenosine (m6A) 在mRNA代谢中扮演重要角色，此外，pseudouridine (Ψ)和 5-methylcytosine 也被发现在基因表达的转录后修饰中启着重要作用。N1-methyladenosine在信使RNA中的修饰则未见报道。

3.研究方法

利用基于MeRIP-seq的方法研究真核生物mRNA中是否存在着m1甲基化修饰及其生物学意义。
研究思路和亮点
首次通过MeRIP-seq在真核生物mRNA中对m1甲基化作用进行全面的研究。

4.研究成果

1.m1A的转录组比对
总RNA中m1A修饰在多个物种中已被发现多年，随后证明在tRNA和rRNA中对结构和功能有显著的影响。为了探究mRNA中是否存在m1A修饰，通过LC-MS/MS技术对人类和小鼠细胞以及组织中纯化的mRNA进行检测摩尔比值，结果充分证明m1A是在mRNA中存在，其m1A/A比例在细胞系中的约为0.015%到0.054%。
利用m1A-seq技术，结合Dimroth重排理论，在Hela细胞中获得了高分辨率的m1A图谱。鉴定得到位于4151个编码RNA和63个非编码RNA中的7154个peaks（fold enrichmen>=2以及FDR<=0.05）。其中，平均每个甲基化基因携带1.4个peaks，超过70%的基因被m1A甲基化修饰一次。
2.m1A余转录起始位点和第一个剪接位点相关联
M1A修饰peaks显示在转录本中的CDS和5’UTR有较高的富集，而在3’UTR分布则相对较少。M1A-seq结果显示，与input序列reads在整个转录本上的平均分布不同，m1A偏好性的位于5’末端。通过数学计算方式的均一化处理，作者发现m1A的聚类显著的分布在起始密码子附近，并且在其它两个细胞系中均有着同样的结论。超过50%的peaks分布在以起始密码子为中心的300核苷酸窗口内。同时，m1A修饰的mRNA在三个细胞系中均与起始转录位点（TISs）相关联。作者的进一步通过对带有起始密码子的外显子进行标准化处理，发现m1A位点事实上与第一个剪接位点直接相关。第一剪接位点某种程度上能够介导m1A的甲基化修饰。
3. 甲基转录本的保守特点分析
作者进一步对m1A的peaks区域碱基保守型进行分析，发现明显的GC序列富集性，而与预期的AUG碱基并无明显分布，说明序列和结构的联合作用决定甲基化位点的识别。
前面结果已经证明m1A修饰在小鼠中的比例与人类接近。通过对小鼠的不同组织进行m1A修饰的鉴定，得到与人类细胞中相识的结论：1、约15%的表达基因被甲基化修饰，其中大部分都携带m1A修饰；2、m1A修饰的基因呈现出明显的高表达水平；3、m1A在转录本中偏好性聚集在翻译起始位点和第一剪接位点附近。
同时，在小鼠中进行生理条件改变，观察m1A甲基化修饰的动态变化，发现，葡萄糖或者氨基酸饥饿大约降低m1A二倍到三倍；而热休克刺激能够增加约1.5倍的甲基化修饰。与此同时，m6A的甲基化修饰并无显著改变。对不同组织中的甲基化修饰进行研究表明，肾脏和脑中有着显著高的m1A甲基化修饰。
此外，作者通过过表达去甲基化酶ALKBH3，发现该基因可能与m1A甲基化修饰相关。
4.m1A与mRNA翻译效率

5’UTR以及起始密码子两端的序列和结构特异性能够影响翻译起始效率和早期延长过程。作者通过对已发表的核糖体及蛋白组学数据，发现在所有检测的细胞类型中，m1A甲基化的转录本的蛋白水平较非甲基化转录本要显著升高。

原文出处：

Dominissini D, Nachtergaele S, Moshitch-Moshkovitz S, Peer E, Kol N, Ben-Haim MS, Dai Q, Di Segni A, Salmon-Divon M, Clark WC,Zheng G, Pan T, Solomon O, Eyal E, Hershkovitz V, Han D, Doré LC, Amariglio N, Rechavi G, He C. 2016 The dynamic N(1)-methyladenosine methylome in eukaryotic messenger RNA. Nature,  530(7591):441-6.