我室张锐教授在Nat Commun发文揭示母源mRNA的大规模m5C甲基化的产生机制、生物学功能和进化模式

m5C修饰是一种真核生物中广泛分布的RNA修饰。近几年的研究发现tRNA、rRNA和mRNA上都存在m5C修饰。最初m5C被报道在 mRNA 中广泛存在，但后来发现许多最初发现的位点可能是假阳性信号。准确和系统地检测全转录组水平的mRNA m5C一直具有挑战性，因此该领域仍然没有对m5C修饰的丰度和分布有清晰一致的看法。为了克服这一挑战，2019年2023白菜网址官网大全张锐课题组建立了一套基于富集的mRNA的RNA 亚硫酸氢盐测序 (BS-seq) 的实验和生信分析流程用以高置信度的鉴定mRNA m5C甲基化。使用这种方法发现通常在成年哺乳动物的组织中仅含有数百个 mRNA m5C 位点；mRNA存在两类m5C位点 (命名为Type I和Type II 位点)，分别据有独特的序列和结构特征，其writer蛋白为NSUN2和NSUN6。近几年来mRNA m5C在胚胎发育、肿瘤发生发展和病毒调控中的作用已有报道，但是其发育动态和调控功能尚未有系统的研究。

近日，我室张锐课题组在Nature Communications上发表了题为Developmental mRNA m5C landscape and regulatory innovations of massive m5C modification of maternal mRNAs in animals的研究。该研究构建了目前为止最大规模的6个物种不同发育时期的mRNA m5C图谱，并非常意外的揭示了母源mRNA的大规模m5C甲基化现象，及其可能的产生机制、生物学功能和进化模式。

作者首先对果蝇、斑马鱼、非洲爪蟾、热带爪蟾、小鼠、人类这六个物种的82个样本进行了mRNA BS-Seq，构建了不同物种、不同发育时期的mRNA m5C图谱。作者非常意外的发现在整个发育过程中m5C只在卵母细胞和胚胎发育早期高度富集；随着母源-合子过渡（maternal-to-zygotic transition）(早期胚胎发育中的重要过程，早期胚胎经历该过程后母源RNA迅速降解，自身基因组激活) 的发生，m5C位点数目和甲基化水平均出现急剧下降，并且这种低水平甲基化一直维持到个体发育成熟。与成体组织mRNA相比，母源mRNA有多达10倍到数10倍的m5C位点。此外，单个位点的母源mRNA的甲基化水平也远远高于成体细胞中对应位点甲基化水平。以人类卵母细胞为例，作者一共发现8592个mRNAs 的32941个甲基化水平大于10%的位点。这一结果显示mRNA m5C特化出了调控母源mRNA的功能，并可能是母源mRNA上最富集的RNA修饰类型。

通过对母源mRNA m5C位点的基序和序列结构分析，作者发现在非人物种中m5C的writer蛋白主要是NSUN2。非常有趣的是相较于其他物种人类拥有更多NSUN6依赖的m5C位点。为了揭示母源mRNA的大规模m5C甲基化现象的可能机制，作者研究了NSUN2的表达水平和细胞定位。作者发现不同于成体细胞的细胞核定位，卵母细胞的NSUN2定位于细胞质。已知母源mRNA在卵发育过程中有非常高的稳定性，因此作者提出位于细胞质的 NSUN2 蛋白可能与母源mRNA持续相互作用并导致m5C逐渐增多的假说。为了验证这一假说，作者巧妙的通过nocodazole处理 HeLa 细胞以减少 mRNA 翻译并将细胞停滞在前中期，用于模拟卵母细胞的状态（即在细胞质中翻译沉默的 mRNA 和 NSUN2 之间的持续接触）。作者发现这一处理在不增加NSUN2蛋白水平的前提下逐渐导致m5C位点数目和甲基化水平的上升，支持其提出的假说。

m5C在母源mRNA上的富集暗示其可能在卵母细胞成熟和早期胚胎发育过程中具有功能。本研究中作者研究了其可能在早期胚胎发育中的功能。作者在果蝇中敲除了NSUN2蛋白，这导致了96%的母源mRNA m5C被清除。NSUN2敲除造成了果蝇胚胎发育迟缓，暗示了m5C在早期胚胎发育中具有重要功能，和之前干扰mRNA m5C读取蛋白YBX1在斑马鱼中看到的表型相互验证。

图示：母源mRNA的大规模m5C甲基化的发现、可能的产生机制和生物学功能

此外，作者研究的物种在进化上具有8亿年的跨度，因此提供了一个前所未有的机会用以系统的研究m5C的进化模式。作者在从无脊椎动物到人类这一支的进化过程中观察到两波 m5C的调控创新：1. 伴随着高等动物富集二级结构的 5'UTR 区域的出现，高等动物在mRNA的5’端获得了顺式元件进化介导的 NSUN2 依赖的 m5C 位点。2. 人类获得了数千个新的 NSUN6 反式调控进化介导的 m5C 位点，这些位点集中在调节有丝分裂细胞周期的基因上，暗示NSUN6的反式调控进化产生了人类特异的调控细胞增殖的功能。

总的来说，这项研究发现了跨物种存在的母源RNA大规模甲基化现象，暗示m5C修饰可能在标记、调控母源RNA方面具有专有作用。同时，该研究从进化角度对于m5C修饰进行了分析，表明与表观遗传标记类似，表观转录组标记也是动物发育过程中进化创新的来源。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30210-0