当RNA甲基化遇上组蛋白甲基化：中国农业科学院生物技术研究所首次揭示RNA甲基化与组蛋白修饰间相互关系及其功能

RNA甲基化是信使RNA（mRNA）最常见的内部修饰之一，在调控前体RNA剪接、RNA编辑、RNA翻译、RNA稳定性等方面发挥重要作用。RNA 5-甲基胞嘧啶（m5C）和6-甲基腺嘌呤(m6A)是目前研究的最为常见的两种RNA转录后修饰，广泛存在于真核生物中。然而，相比于研究深入的RNA m6A，RNA m5C的研究进展较慢，尤其是在动态染色质修饰上的直接作用仍然很大程度上是未知的。

2022年11月16日，中国农业科学院生物技术研究所普莉团队在Advanced Science在线发表了题为“RNA 5-Methylcytosine Modification Regulates Vegetative Development Associated with H3K27 Trimethylation in Arabidopsis” 的研究成果。研究通过m5C RIP-seq、RNA-seq、ChIP-seq等多种技术，首次揭示了真核生物中组蛋白H3赖氨酸27三甲基化（H3K27me3）组蛋白修饰影响RNA甲基化m5C的现象与机制，确立了RNA m5C修饰与组蛋白动态修饰之间的直接关系及其在染色体状态和基因转录调控中的作用方式，为从表观遗传学层面调控植物生长发育和环境适应性研究提供了新的方向。

首先，研究人员发现拟南芥中植物特异的Polycomb（PcG）基因EMBRYONIC FLOWER1 （EMF1）突变后，光合作用紊乱、叶绿体发育异常、光合基因和叶绿体发育基因表达降低。已有的研究表明EMF1通过PcG途径影响沉默标记H3K27me3修饰水平，抑制靶基因的转录。但是研究人员发现光合基因和叶绿体发育基因并不存在H3K27me3修饰，表明EMF1不能通过传统的H3K27me3修饰调控该类基因表达，从而提示EMF1还存在其它的调控方式。

图1. PcG蛋白EMF1正向调控植物叶绿体发育和光合效率

研究人员接着通过Dot Blot，LC-MS/MS，MeRIP-seq对WT和emf1突变体进行分析，发现EMF1的缺失增加了全基因组m5C修饰的水平，且m5C主要富集在光合基因和叶绿体发育基因的mRNA上。进一步通过m5C RIP-seq与RNA-seq关联分析发现m5C修饰与基因转录水平负相关。RNA甲基转移酶TRM4B催化m5C形成。EMF1可以通过H3K4me3调控TRM4B的表达，在emf1背景中TRM4B表达显著升高，从而使m5C修饰广泛增加，基因表达下调。这些证据表明，EMF1对于RNA甲基化m5C形成至关重要，通过一种不同于PcG的新调控方式激活下游基因的表达。

图2. EMF1缺失影响RNA m5C修饰的积累

为了进一步揭示H3K27me3修饰和m5C修饰之间的关系，研究人员结合ChIP-seq和m5C RIP-seq数据，对5条染色体上H3K27me3和m5C分布进行了分析。结果表明H3K27me3和m5C在染色体上的分布呈现互补关系，H3K27me3 peaks富集的区域缺乏m5C，且有着明显的负相关，反之亦然。最后，通过与已知EMF1结合位点、H3K27me3非富集位点、和TRM4B介导的m5C位点进行免疫共沉淀实验来探究组蛋白甲基化是如何影响特异RNA m5C阅到靶基因座，结果发现H3K27me3可能通过染色质共转录的方式调控m5C的精确定位。这些数据首次揭示了真核生物中m5C位点和H3K27me3之间的全基因组相关性。

图3. m5C和H3K27me3的全基因组相关性

综上所述，本研究结果表明，植物特异PcG蛋白EMF1介导RNA甲基化m5C和组蛋白H3K27me3在全基因组水平上的协作关系，在植物营养生长阶段可同时作为抑制子和激活子调控特定的下游靶基因转录。EMF1通过H3K4me3调控RNA甲基化酶TRM4B的表达，影响m5C修饰在叶绿体发育和光合基因上的富集，进而激活这些基因的表达（EMF1-TRM4B-m5C）。同时，EMF1又可以通过PcG介导的抑制途径，影响H3K27me3修饰在花器官、种子和淀粉等发育基因上的富集，进而抑制这些基因的表达（EMF1-PcG- H3K27me3）。两个相反的作用方式精确调控了植物正常的营养生长。总之，该研究不仅为植物表观遗传/基因组学相关研究提供了重要数据资源，而且深入揭示了RNA甲基化在染色质表观修饰可塑性的贡献，并为复杂的表观调控网络在基因组转录调控中的作用提供了新认知。

图4. EMF1介导的m5C和H3K27me3的协同调控转录模式图

中国农业科学院生物技术研究所普莉研究员为本论文通讯作者，生物所研究生张道磊、郭位军、博后王婷为共同第一作者，研究生王一凡、徐帆，助理研究员乐亮、武悦，内蒙古大学哈达教授以及美国加州大学伯克利分校Zinmay Renee Sung教授等也参与了该项研究。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国农业科学院重大科研、国际合作、创新工程等项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202204885

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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