Mol Cell | 林水賓博士等揭示tRNA m7G修飾譜新功能

BioArt2018-07-07 14:25:05

責編丨迦 漵


過去一段時間,關於mRNA上m6A修飾的相關研究BioArt進行了許多報道,事實上相比於mRNA上的修飾而言,tRNA上的修飾種類更為豐富,然而tRNA上的修飾並沒有很多研究報道(今年2月,芝加哥大學潘濤教授在Cell Research雜誌上發表了一篇相關綜述)。


7月5日,中山大學附屬第一醫院轉化醫學中心林水賓博士和哈佛醫學院Richard Gregory團隊在Molecular Cell雜誌在線發表了題為The Mettl1/Wdr4 mediated m7G tRNA methylome is required for normal mRNA translation and embryonic stem cell self-renewal and differentiation的研究論文,揭示了m7G tRNA修飾對mRNA翻譯、幹細胞自我更新分化和小頭侏儒症等發育相關疾病的調控功能和機理 【1】



近年來,RNA修飾逐漸成為研究熱點,研究發現mRNA含有各種不同的表觀遺傳學修飾,並且這些表觀遺傳修飾可以調控mRNA穩定性和翻譯從而控制基因表達,並且在組織發育和腫瘤發生發展過程中起重要調控作用。與mRNA相比,tRNA具有更加豐富的修飾,並且發生在tRNA上的多種修飾異常在病人中導致出生缺陷和神經發育異常。例如針對多例病因未知的小頭畸形和智力殘疾侏儒症嬰兒的外顯子測序發現,發生在tRNA m7G修飾的主要蛋白複合物成員WDR4外顯子上的突變引起新生兒的神經和個體發育缺陷【2, 3】。tRNA m7G甲基化複合物主要有甲基化酶METTL1和輔助蛋白WDR4組成。之前關於tRNA m7G甲基化的研究主要在酵母中進行,在酵母裏Trm8(METTL1同源基因)和Trm82(WDR4同源基因)的敲除導致tRNA m7G修飾的缺失,但是 Trm8和Trm82敲除在正常條件下對酵母的生長沒有影響。然而在人類中,WDR4突變引起的tRNA m7G修飾異常會導致胎兒新生兒先天性小頭畸形和智力殘疾,這説明在人類等哺乳動物中tRNA m7G修飾對胎兒的正常生長髮育起着重要的調控。然而,WDR4基因缺陷引起小頭畸形和智力殘疾的分子機理並不清楚。


雖然新一代測序方法在基因組學、mRNA轉錄組學、mRNA表觀修飾組學等領域得到廣泛的應用,tRNA的轉錄組學和表觀修飾組學方面的研究卻一直非常滯後。這是因為tRNA具有特殊的三葉草形的二級結構和複雜多樣的RNA修飾,高級二級結構和高丰度的RNA修飾導致反轉錄酶不能有效地把tRNA反轉錄成cDNA,所以普通的基於反轉錄的高通量測序文庫方法不能有效的用於tRNA測序文庫的構建。2015年在Nature Methods雜誌同一期發表的兩篇tRNA高通量測序的方法為研究tRNA表達提供了重要的技術基礎【4, 5】。這種新方法利用去甲基化酶AlkB先去除tRNA上面的大部分修飾,然後在高温情況下進行反轉錄,從而大大提供了tRNA反轉錄效率而實現對tRNA表達的高通量測序。


為了研究tRNA m7G修飾異常引起新生兒的小頭畸形侏儒症和智力殘疾的分子機理,林水賓博士等開發了兩種基於AlkB去甲基化的描繪tRNA m7G修飾圖譜的高通量測序方法,分別為tRNA m7G 甲基化RNA共沉澱測序 (m7G Methylated RNA Immunoprecipitation-Sequence, MeRIP-Seq) m7G tRNA 還原和斷裂測序 (m7G tRNA Reduction and Cleavage-Sequence, TRAC-Seq),併成功利用這兩種方法鑑定了胚胎幹細胞中的tRNA m7G甲基化修飾譜。


研究發現小鼠胚胎幹細胞裏有22個不同的tRNA含有m7G修飾,這説明哺乳動物裏面m7G tRNA修飾廣泛的存在,為研究m7G tRNA修飾異常導致人類胎兒發育畸形和智力殘疾的機理奠定了理論和技術基礎。 進一步研究表明METTL1或者WDR4敲除在胚胎幹細胞裏面引起tRNA m7G修飾缺陷,mRNA翻譯水平下降,並導致幹細胞標記物表達降低和生長增殖下降,説明METTL1和WDR4介導的m7G tRNA修飾對維持胚胎幹細胞自我更新具有重要作用。誘導胚胎幹細胞分化實驗表明,METTL1或者WDR4敲除的胚胎幹細胞傾向於往內胚層和中胚層分化,而向神經系統分化的能力受到嚴重抑制(下圖)。上述研究在一定程度上解釋了tRNA m7G修飾異常引起小頭畸形和神經發育異常疾病的機理。



據悉,中山大學附屬第一醫院轉化醫學中心林水賓博士和哈佛醫學院劉琪博士為本文的共同第一作者,哈佛醫學院Richard Gregory教授為本文通訊作者


參考文獻:

1. Lin S, Liu Q, Lelyveld VS, Choe J, Szostak JW, Gregory RI. The Mettl1/Wdr4 mediated m7G tRNA methylome is required for normal mRNA translation and embryonic stem cell self-renewal and differentiation. Mol Cell. 2018 July 19; 71: 1-12.

2. Shaheen, R., et al., Mutation in WDR4 impairs tRNA m(7)G46 methylation and causes a distinct form of microcephalic primordial dwarfism. Genome Biol, 2015. 16: p. 210.

3. Trimouille, A., et al., Further delineation of the phenotype caused by biallelic variants in the WDR4 gene. Clin Genet, 2018. 93(2): p. 374-377.

4. Zheng, G., et al., Efficient and quantitative high-throughput tRNA sequencing. Nat Methods, 2015. 12(9): p. 835-837.

5.  Cozen, A.E., et al., ARM-seq: AlkB-facilitated RNA methylation sequencing reveals a complex landscape of modified tRNA fragments. Nat Methods, 2015. 12(9): p. 879-84.

BioArt,一心關注生命科學,只為分享更多有種、有趣、有料的信息。關注請長按上方二維碼。投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID:fullbellies 或郵箱:[email protected]

閲讀原文

TAGS:胚胎幹細胞測序修飾測序文庫