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【成功案例】云平臺助力爪蟾卵母細胞m6A修飾mRNA功能研究

分子生物學的中心法則中,遺傳信息從DNA傳遞給RNA再流向蛋白質,此過程中RNA不僅發(fā)揮遺傳信息傳遞的作用,還負責調控各種生物學過程。早在40年前研究者就發(fā)現(xiàn)mRNA存在類似于基因組DNA和組蛋白上可逆的表觀遺傳修飾(其中N6-methyladenosine m6A是最常見的一種轉錄后修飾,介導了超過80%的RNA堿基甲基化),但當時并不清楚RNA這種修飾的具體功能,隨著近期研究的深入逐漸揭開了mRNA甲基化的神秘面紗,它可以參與調控基因表達,并進一步調節(jié)細胞的分化和發(fā)育。對mRNA甲基化相關的轉錄組測序數據的分析當然離不開便捷、可靠的數據深度挖掘工具啦!近期百邁客云平臺Blast小工具助力孫青原老師關于m6A參與調節(jié)爪蟾卵母細胞減數分裂成熟和胚胎發(fā)育的文章發(fā)表于“Journal of biological chemistry”雜志。接下來,小編跟大家分享這篇文章。

N6-methyladenosine seqencing highlights the involvement of mRNA methylation in oocyte meiotic maturation and embryo development by regulating translation in Xenopus laevis

N6-甲基腺苷測序揭示mRNA甲基化通過調節(jié)非洲爪蟾的翻譯水平參與卵母細胞減數分裂成熟和胚胎發(fā)育

PMID: 27613873

雜志:Journal of biological chemistry (JBC)

影響因子:4.12

研究背景

在動物(如爪蟾、小鼠)的卵子發(fā)生過程中,生殖泡(GV)期卵母細胞達到最大體積,同時基因組轉錄活動被沉默。成熟的GV期卵母細胞重新開始分裂、發(fā)育到第二次減數分裂中期(MII期)后卵母細胞與精子結合形成受精卵,受精卵開始分裂起始胚胎發(fā)育,直到中囊胚期全基因組轉錄活性恢復。因此,卵母細胞生長過程中積累的母源mRNAs的翻譯應得到精確的調控。近期的研究證據揭示修飾(m6A)參與調解mRNA翻譯,且m6A修飾在mRNA的不同區(qū)域會產生不同的翻譯修飾效應。目前,m6A修飾是否參與非洲爪蟾卵母細胞翻譯調控,及其在卵母細胞成熟和胚胎發(fā)育中的扮演的角色還不清楚。

材料方法

1.實驗材料:

GV期和MII期爪蟾卵母細胞。

2.測序方法:

提取GV期和MII期爪蟾卵母細胞總RNA后分別進行m6A-seq測序。

技術路線
實驗結果
1. GV期和MII期爪蟾卵母細胞的m6A-seq

對GV期和MII期爪蟾卵母細胞的m6A修飾mRNAs進行分離和測序分析后與X. laevis轉錄組比對,鑒定了4207條甲基化修飾的mRNAs(GV期4128條;MII期3820條)。根據m6A峰的高度,作者把這些mRNAs分為三類:高m6A mRNAs、中m6A mRNAs和低m6A mRNAs。通過這些結果發(fā)現(xiàn)從GV期到MII期有1674個mRNAs保持甲基化修飾水平,此外有2400條mRNAs的m6A水平下降、133條mRNAs的m6A水平升高(Figure 1A)。

利用m6A峰值對應序列,作者預測了爪蟾中保守的m6A基序。與人和小鼠中相似,爪蟾中mRNA甲基化也發(fā)生在GGACU基序(Figure 1B)。研究還發(fā)現(xiàn)m6A峰主要分布在編碼DNA序列(CDS)的下游位置的CDS末端位點附近(Figure 1C)。

?Figure 1. Summary of the m6A modified mRNAs in X. laevis oocytes.
2. 爪蟾中甲基化mRNAs相關通路的基因集富集分析

為了研究RNA甲基化是否參與卵母細胞成熟和胚胎發(fā)育,作者利用DAVID工具對m6A修飾mRNA進行了KEGG通路分析。結果高或者中等甲基化的mRNAs主要富集在ErbB、孕激素介導的卵母細胞成熟和細胞周期等通路中。但是,低甲基化的mRNAs主要被富集在RNA降解、DNA復制、核糖體、剪接體、磷酸戊糖途徑和糖酵解途徑相關通路中。

為了進一步評估這些m6A修飾在非洲爪蟾卵母細胞的生物學功能,作者利用biocloud平臺的BLAST工具對爪蟾mRNAs進行了注釋(www.dfhjdf.cn)。GO注釋的結果顯示,卵母細胞m6A甲基化mRNAs主要與生物學過程有關,如:轉錄、蛋白磷酸化和細胞分裂。

3. mRNAs甲基化與蛋白翻譯間的關系

為了探索mRNAs甲基化是否與翻譯有關,作者把mRNA甲基化數據與Smits等人已發(fā)表的轉錄組和蛋白組數據進行了整合。通過BLAST分析,在RNA/蛋白數據中找到了723個m6A修飾mRNAs的信息。GV期或者MII期卵母細胞中高m6A峰的RNA水平(log10 RNA RPKM值)比總RNA高(在卵或者胚胎中),但是蛋白水平(log10 protein amount / fmol)比總蛋白水平低(Figure 2)。與高度甲基化的mRNAs相比,低甲基化RNAs顯示出非常高的表達水平(Figure 3)。這些結果說明在卵母細胞或早期胚胎中,m6A修飾可能與mRNA翻譯有關。

Figure 2. Scatter plot of the m6A modified mRNAs in the transcriptome/proteome data.
Figure 3. Box plot of the RNA levels and protein levels of m6A modified mRNAs.
為了分析mRNA甲基化的位置(5UTR, CDS和3UTR)與翻譯的關系,作者提取了GV期卵母細胞5UTR、5’末端CDS、3’末端CDS或者3UTR位置高度甲基化的mRNA信息(Figure 4)。結果顯示5CDSs或3CDSs甲基化的mRNAs顯示出較低的蛋白表達水平。此外,3UTR甲基化的mRNAs顯示出較高的蛋白表達水平。這些數據說明CDS區(qū)域RNA甲基化可能抑制mRNA翻譯。
Figure 4. The RNA levels and protein levels of hypermethylated mRNAs in GV oocytes.
結論:在爪蟾GV期和MII期的卵母細胞中鑒定了4207個甲基化的mRNA。整合mRNA甲基化數據、轉錄組數據和蛋白組數據后發(fā)現(xiàn),盡管RNA水平沒有顯著差異,高度甲基化的mRNAs與低甲基化的mRNAs相比顯示較低的蛋白表達水平。研究還發(fā)現(xiàn)低甲基化的mRNAs主要富集在細胞周期和翻譯信號通路中,而高甲基化水平的mRNAs主要與蛋白磷酸化有關。本文結果表明卵母細胞減數分裂成熟與早期胚胎發(fā)育時期的mRNA甲基化可以調節(jié)翻譯和細胞分裂。


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