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Mol Cell|李岩强、易旸等利用纳米孔Direct RNA测序揭示Nm修饰调控mRNA稳定性与癌症进展的新机制

 

转录及转录后调控机制,包括组蛋白修饰和RNA修饰等,在肿瘤的发生与发展过程中扮演着关键角色。迄今为止,已知的RNA修饰类型超过170种,其中仅有大约十多种能够被精确定位至转录本上。2′-O-甲基化(2′-O-Methylated,Nm)是一种特殊的修饰方式,其独特之处在于能作用于多种核苷酸(A、U、C、G),广泛分布于真核生物的rRNA、mRNA的帽结构以及植物中的miRNA。然而,由于缺乏精确的定位与定量技术,Nm在mRNA内部的具体位置分布、功能及其作用机制尚不明晰。

 

前列腺癌在全球及我国男性生殖系统肿瘤中发病率居首,而晚期前列腺癌治疗手段有限,这主要归因于其复杂的病理机制。Fibrillarin(FBL)是一个关键的癌基因,尤其在TP53基因突变后会异常激活,不仅促进rRNA的Nm修饰,还加速癌蛋白的翻译过程,从而参与前列腺癌及其它多种肿瘤的发展。FBL通过snoRNA介导催化rRNA的Nm修饰,并影响蛋白质的翻译效率,但对于其是否直接调控mRNA表达以及如何影响肿瘤恶性进展的具体机制,目前尚无定论。

 

2024年6月20日,哈佛大学医学院/波士顿儿童医院陈开富课题组与西北大学曹圻课题组在《Molecular Cell》期刊在线发表题为“2′-O-methylation at internal sites on mRNA promotes mRNA stability”的研究论文。

 

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大量研究表明,稳定的mRNA对于研发RNA疫苗和RNA治疗非常重要。在本文报道的最新研究中,李岩强等人对Nm修饰的mRNA稳定性的影响进行了系统分析,结果显示Nm修饰的mRNA相较于未修饰的mRNA展现出更高的稳定性。与对照组相比,FBL蛋白结合的mRNA也呈现出增强的稳定性。当FBL表达被抑制后,无论是Nm修饰的mRNA还是通常与FBL结合的mRNA,其稳定性和RNA水平均显著下降,表明FBL催化的mRNA Nm修饰能有效提升mRNA稳定性,从而提高转录水平。

 

更重要的是,作者开发了一种将纳米孔直接RNA测序技术和机器学习相结合的新方法——NanoNm,用于鉴定Nm修饰。该技术的有效性已在人类、酵母及果蝇的核糖体RNA上得到验证。应用此方法,研究观察到FBL敲低与肿瘤相关mRNA中Nm修饰水平降低的现象,揭示了mRNA中Nm修饰的普遍存在,进一步分析发现,前列腺癌的关键驱动基因PSMD13的mRNA,当携带Nm修饰时,表现出更高的稳定性,表明FBL在转录后水平通过催化癌基因mRNA的Nm修饰,来提升其稳定性,进而促进前列腺癌的恶性发展进程。

 

在机制探索方面,作者发现Nm修饰的基因倾向于具有较短的3'UTR,并且FBL敲低会影响3'UTR的长度。表明FBL介导的Nm修饰可能通过调控3'UTR的可变性来增强mRNA的稳定性。基于该发现,作者推测RNA结合蛋白可能通过识别Nm修饰的mRNA并与其相互作用,参与调控可变多聚腺苷酸化(APA)过程。结合CLIPdb RNA结合蛋白公共数据库分析,结果显示,诸如ATX2、CPSF7等蛋白的结合位点与Nm修饰位点高度重叠,暗示这些蛋白可能负责识别并结合Nm修饰的mRNA。与此同时,作者发现RNA结合蛋白,如已被报道参与RNA稳定性或调控APA过程的CPSF7,可能通过特异识别Nm修饰来影响mRNA的稳定性。当同时敲除FBL与CPSF7时,观察到对APA模式的影响与单独敲除FBL时相一致,表明CPSF7确实能识别Nm修饰,并在Nm修饰介导的RNA稳定性调控中发挥作用。

 

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综上,该研究成功开发了一种广泛适应性的机器学习模型方法NanoNm,可基于纳米孔Direct RNA测序,用于精准检测Nm修饰,并揭示FBL通过催化mRNA上的Nm修饰来增强RNA稳定性及促进基因表达的新机制。在分子机制层面,该研究阐明了FBL如何通过调节可变3'-UTR长度影响RNA稳定性,进而促进肿瘤发生的机制。此外,该研究发现的Nm修饰对RNA稳定性的影响,为RNA疫苗的研发提供了重要的理论依据和实践指导。本研究有助于深入探索Nm在肿瘤、发育和其它疾病的调控机制,也为进一步研究FBL这个在众多癌种激活的癌基因的促癌机制提供了重要参考。

 

美国哈佛大学医学院/波士顿儿童医院陈开富,以及美国西北大学曹圻为此研究的共同通讯作者。李岩强(哈佛医学院/波士顿儿童医院 Instructor),易旸(美国西北大学医学院/罗伯特卢瑞癌症中心, Tenure-Track assistant professor)为论文的共同第一作者。李岩强负责该论文生物信息学分析部分包括RNA稳定性, 软件开发, 纳米孔测序数据的分析和整合, 易旸负责论文的纳米孔测序以及实验验证。该工作得到了芝加哥大学Boyang Gao以及Li-Sheng Zhang (现为香港科技大学助理教授) 的帮助。

 

哈佛大学医学院陈开富课题组招聘生物信息学博士后,算法开发或数据分析方向皆可。实验室主要关注RNA 修饰,染色体三维结构,单细胞、空间多组学。在细胞分化、心血管疾病、癌症方面有研究经验的博士欢迎申请, 实验室网页: https://kaifuchenlab.github.io/ 。

 

原文地址:

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.04.011

 


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