Science Advances | 揭示RNA m6A調(diào)控核糖體生成通路參與大腦發(fā)育新機(jī)制
大腦發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜且受到精確調(diào)控的過(guò)程,涉及神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和分化等關(guān)鍵步驟。發(fā)育異常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)發(fā)育障礙疾病,如小頭畸形(microcephaly),給患者、家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。在大腦發(fā)育過(guò)程中,神經(jīng)干細(xì)胞增殖需要活躍的核糖體生成以滿足大量蛋白合成的需求。核糖體生成是高度協(xié)調(diào)且耗能的過(guò)程,涉及一系列核糖體RNA(rRNA)加工因子和核糖體組裝分子的協(xié)調(diào)參與。已有研究表明,核糖體生成缺陷與小頭畸形等大腦發(fā)育缺陷存在關(guān)聯(lián),而增強(qiáng)的核糖體生成則與癌癥發(fā)生密切相關(guān)。因此,精確調(diào)控核糖體生成對(duì)于正常發(fā)育和癌癥預(yù)防都至關(guān)重要。然而,目前對(duì)于核糖體生成的RNA表觀遺傳調(diào)控機(jī)制尚不清楚。
6月27日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”)腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院周濤研究員團(tuán)隊(duì)與南京醫(yī)科大學(xué)沈彬教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances發(fā)表題為“VIRMA-mediated m6A modification regulates forebrain formation through modulating ribosome biogenesis”的研究論文,首次揭示m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物的核心支架蛋白VIRMA通過(guò)調(diào)控核糖體生成影響大腦發(fā)育的機(jī)制。
N6-甲基腺嘌呤(m6A)修飾作為真核生物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制,其動(dòng)態(tài)可逆的特性由甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物(也稱為m6A “writer”,包括METTl3、METTL14、WTAP和VIRMA等)和去甲基化酶(也稱為m6A “eraser”)共同調(diào)控,并通過(guò)m6A識(shí)別蛋白(也稱為m6A “reader”)影響RNA的代謝與功能。2011年芝加哥大學(xué)何川教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)首個(gè)去甲基化酶FTO,揭示m6A具有動(dòng)態(tài)可逆特性,開啟了RNA表觀遺傳學(xué)研究熱潮。雖然m6A修飾與胚胎期大腦發(fā)育的研究國(guó)內(nèi)外均有,例如條件性敲除甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物催化組分METTL3或METTL14都會(huì)導(dǎo)致腦發(fā)育缺陷,然而這些研究在分子機(jī)制方面存在很大差異,具體機(jī)制亟待統(tǒng)一。
作為甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物中最大且進(jìn)化上最新的組分,VIRMA具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特征。結(jié)構(gòu)學(xué)研究表明,VIRMA呈現(xiàn)特征性"horse-shaped"構(gòu)象,與WTAP共同構(gòu)成復(fù)合物結(jié)構(gòu)核心。特別值得注意的是,甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物中的四個(gè)RNA結(jié)合位點(diǎn)中有三個(gè)位于VIRMA,這使其在底物識(shí)別中起關(guān)鍵作用。本研究首次以VIRMA為切入點(diǎn),通過(guò)構(gòu)建條件性基因敲除小鼠和神經(jīng)干細(xì)胞模型,結(jié)合多種生化分析手段及多組學(xué)測(cè)序(m6A-seq、RNA-seq、Proteomic等)技術(shù),發(fā)現(xiàn):
1. 核心支架作用:VIRMA作為m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物的核心支架蛋白,其缺失導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合物不穩(wěn)定,使mRNA上m6A修飾水平降低60%,破壞mRNA代謝穩(wěn)態(tài)(圖1);2. 核糖體生成失調(diào):m6A修飾減少延長(zhǎng)了核糖體生成關(guān)鍵因子(如RPP38、NCL等)的mRNA半衰期,導(dǎo)致mRNA異常積累,蛋白表達(dá)異常升高,反而引起核糖體生成缺陷和蛋白翻譯顯著抑制(圖2);3. 發(fā)育危機(jī):核糖體生成缺陷觸發(fā)p53依賴的核仁應(yīng)激反應(yīng),抑制p53蛋白降解,細(xì)胞內(nèi)p53過(guò)度積累與激活,導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和凋亡,引發(fā)大腦結(jié)構(gòu)異常(圖3)。綜上所述,該研究闡明了VIRMA-m6A-核糖體軸調(diào)控大腦發(fā)育的分子機(jī)制(圖4),為理解小頭畸形等神經(jīng)發(fā)育疾病提供了新視角。此外,該研究還初步發(fā)現(xiàn)VIRMA在乳腺癌細(xì)胞(MCF7)和宮頸癌細(xì)胞(HeLa)中同樣調(diào)控核糖體合成,提示其作為潛在治療靶點(diǎn)的價(jià)值。
深圳先進(jìn)院為論文第一單位;深圳先進(jìn)院周濤研究員、吳敏助理研究員和南京醫(yī)科大學(xué)沈彬教授為該論文的共同通訊作者;深圳先進(jìn)院助理研究員吳敏、博士生吳曉麗(現(xiàn)為深圳先進(jìn)院博士后)和南京醫(yī)科大學(xué)的博士生孫海峰(現(xiàn)為耶魯大學(xué)博士后)為論文的共同第一作者。該研究在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)的資助下完成。

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圖1. VIRMA缺失導(dǎo)致mRNA的m6A修飾水平降低并破壞mRNA代謝穩(wěn)態(tài)

圖2. VIRMA缺失通過(guò)延長(zhǎng)核糖體生成關(guān)鍵因子mRNA半衰期引發(fā)核糖體生成缺陷與全局蛋白翻譯抑制

圖3. VIRMA缺失通過(guò)p53依賴的核仁應(yīng)激反應(yīng)引發(fā)細(xì)胞周期停滯與凋亡

圖4. VIRMA介導(dǎo)的m6A修飾調(diào)控核糖體生成通路參與大腦發(fā)育的分子機(jī)制示意圖?
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