小鼠神經系統的RNA甲基化平衡是保障小腦發育正常的必要因素。
2018年5月31日，中國醫學科學院基礎醫學研究所佟偉民實驗室與挪威奧斯陸大學ArneKlungland實驗室在Genome Biology期刊上發文，報道了其各自在神經系統關於RNA甲基化m6A（下文簡稱：m6A）功能研究的新發現。編輯特邀牛亞梅老師（該文通訊作者之一，中國醫學科學院基礎醫學研究所副研究員）借兩項研究上線的機會，向大家簡單介紹一下兩篇文章中m6A修飾參與調控小鼠小腦與大腦皮層發育的研究成果。
作為mRNA上含量最為豐富的修飾方式，m6A參與調控RNA代謝過程中多個環節，並藉此在生殖、代謝、免疫及發育等多種生理過程中發揮重要作用[1]，而其甲基化失衡則會引起腫瘤發生[2]。在小鼠全身各組織中，m6A在腦組織的丰度最高，提示其在神經系統發揮相應功能。已有報道證明去甲基化酶FTO在小鼠中腦參與調控多巴胺信號傳遞、在大腦皮層與海馬區參與學習記憶形成以及成體神經發生[3-7]；甲基化轉移酶METTL14通過m6A調控小鼠大腦皮層的時序性發育[8]；而佟偉民實驗室通過比較成年小鼠的大腦皮質與小腦的m6A甲基化譜，發現m6A不僅具有神經細胞異質性，而且不同腦區RNA甲基化模式與甲基化水平亦各不相同，其中小腦的RNA甲基化尤為突出[9]。m6A在神經系統內調控網絡及生物學功能的多樣性與複雜性提示我們，區分與納入特定的生理條件與環境是開展其體內功能與機制研究時需要考慮的重要因素之一。因此m6A的甲基化特點以及迄今發現的十餘種m6A相關基因的生物學功能有必要在不同腦區一一展開研究。
在此次在線發表的文章中，佟偉民團隊與中國科學院北京基因組研究所的宋述慧團隊合作深入研究了m6A在小腦發育中的生物學功能。 研究者選取了小鼠小腦發育過程中的四個節點進行甲基化比較研究，發現甲基化與去甲基化的可逆性變化貫穿於整個小腦發育過程中，但不同發育階段的甲基化模式各有特點且與小腦發育進程密切相關。與小腦發育過程中m6A水平逐漸下降的趨勢相一致，幾種主要的甲基化酶與去甲基化酶的表達也均呈現由高到低的變化趨勢。正常環境下去甲基化酶Alkbh5敲除小鼠的神經系統發育未呈現明顯異常，但是在低壓低氧環境下Alkbh5基因缺失導致小腦發育明顯滯後。通過m6A甲基化譜比較分析，發現Alkbh5缺失造成諸多參與小腦發育調控進程的基因m6A水平紊亂，其中Alkbh5缺失引起的RNAm6A水平升高加快了RNA出核。除此之外研究者也發現由慢病毒感染小鼠小腦內所致的甲基化酶Mettl3敲低或過表達均可導致小腦發育受損，進一步證明RNAm6A甲基化平衡是保障小鼠小腦發育正常進行的必要因素。該研究在國際上率先揭示了m6A在哺乳動物小腦發育中的作用，同時也報道了ALKBH5繼調控精子發育之後新的生物學功能。
照片：自左至右分別為該文的通訊作者中國醫學科學院基礎醫學研究所的佟偉民教授、牛亞梅副研究員以及中國科學院北京基因組研究所的宋述慧副研究員。
同期Klungland團隊報道了他們利用m6A結合蛋白Ythdf2敲除小鼠發現m6A調控大腦皮質發育的研究成果。Ythdf2缺失不僅能夠導致小鼠在胚胎髮育晚期致死，而且嚴重影響了其神經系統的發育。研究者們觀察到Ythdf2 缺失導致大腦皮層神經幹細胞不能正常地進行不對稱分裂，從而造成神經前體細胞的大量缺失、嚴重影響神經元的分化，致使小鼠的前腦大腦皮層發育緩慢。另外通過表觀轉錄組測序分析顯示，Ythdf2缺失導致m6A整體水平升高，其中參與神經幹細胞分化和神經元軸樹突形成的通路受到顯著擾動。例如JAK-STAT通路中的分化抑制因子則因為Ythdf2缺失無法正常進入RNA降解途徑，造成表達升高。除此之外，該研究還發現Ythdf2缺失能夠導致分化成熟的神經元對於外界壓力應激刺激更加敏感，軸突的重塑能力大大降低，這和宋紅軍實驗室於2018年發表在Neuron上的研究相互佐證，對於研究大腦損傷後神經元重塑有著重要的意義[10]。
照片：自左至右分別為該文的通訊作者挪威奧斯陸大學的Arne Klungland教授、趙旭博士以及挪威科技大學的magnar bjrs教授。
自2011年第一個RNA甲基化m6A去甲基化酶發現以來，以m6A為代表的RNA表觀轉錄學領域發展迅速，而上述研究進一步豐富了我們對m6A生物學功能的認識。除神經發育之外，佟偉民教授與Klungland教授團隊將繼續開展m6A在神經退行性病變以及腦腫瘤發生過程中的功能與機制研究，希望從RNA表觀轉錄組學的視角為腦疾病的診治提供新的思路與方向。
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