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Nature:mRNA老化塑造哺乳动物mRNA中的Cap2甲基组

日期: 来源:生物医学科研之家收集编辑:森普

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原文题目:mRNA ageing shapes the Cap2 methylome in mammalian mRNA
通讯作者:Samie R. Jaffrey
隶属单位:康奈尔大学威尔康奈尔医学院
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05668-z
Cap2 是在近 50 年前被发现的,是与 m 一起装饰 mRNA 的五种主要甲基修饰之一。7G, N6,2′-O-二甲基腺苷(m6一个m)、Cap1 和 N6-甲基腺苷(m6尽管转录组中Cap2的患病率很高,但Cap2是最后一个主要的未定位核苷酸修饰。使用CLAM-Cap-seq,研究人员生成了Cap2的转录组范围图谱,该图谱揭示了长寿命mRNA上的强Cap2富集,这是由于转录组中mRNA年龄引导的Cap2沉积而发生的。Cap2的主要功能不是控制mRNA加工事件,如翻译或稳定性,而是进一步抑制内源性RNA激活先天免疫反应的能力。从机制上讲,Cap2中的双重甲基化阻止Cap1与RIG-I结合,从而抑制内源性Cap1 RNA的自身免疫潜力。研究人员还表明,mRNA中Cap2的缓慢,时间依赖性积累代表了一种细胞适应,用于掩盖宿主RNA激活RIG-I。同时,缓慢的Cap2甲基化降低了快速复制的病毒RNA获得Cap2的可能性,从而逃避宿主细胞防御的识别。
         
图1:Cap2 是一种在不同序列环境中发现的可变 mRNA 修饰。
细胞需要区分自身和非自身RNA的机制。mRNA帽的甲基化是标记自身mRNA的主要机制之一。缺乏核糖甲基化的Cap0 RNA是RIG-I的高亲和力配体和有效激活剂。因此,少量的Cap0可以激活先天免疫反应。Cap1中单个甲基的存在足以降低RNA激活RIG-I的能力。尽管Cap0与RIG-I的结合亲和力为2 nM,但Cap1仍以425 nM的亲和力结合。研究人员发现,通过消耗CMTR1或病毒感染获得的大量Cap2 RNA可以提供足够水平的Cap1来激活RIG-I。因此,即使Cap1仅微弱地激活RIG-I,细胞中大量的Cap1,加上响应病毒感染诱导RIG-I表达,可以使Cap1 RNA成为RIG-I信号传导的重要激动剂。
图2:CLAM-Cap-seq 鉴定特定 mRNA 上的 Cap2 甲基化富集。
先前的研究表明,RNA第一或第二位置的甲基化足以减少RIG-I的活化。研究人员发现Cap2中的双重甲基化功能降低了Cap1 RNA结合和激活RIG-I的能力。尽管研究人员的研究将RIG-I确定为Cap2的“反读取器”,但RIG-I KO并没有完全减少CMTR2耗尽后ISG的诱导。其他蛋白质,如IFITs或其他外来RNA传感器,如MDA5,也可能对 Cap2 甲基化敏感,因此调节 mRNA 生物学的各个方面。
值得注意的是,一些病毒已经获得了CMTR2同系物,例如Mimivirus和非洲猪瘟病毒。牛痘病毒中的CMTR同系物已被提出用于甲基化第一,第二和可能的其他核苷酸。因此,病毒CMTR同系物可能具有比以前认识到的更广泛的甲基化功能,包括Cap2甲基化,这可能有助于它们逃避宿主反应。
图3:Cap2甲基化在长寿命mRNA上高度富集。
Cap1和Cap2的水平在不同的细胞和组织中有所不同,这与CMTR2水平部分相关。虽然较高的Cap1水平可能对细胞有害,但研究人员发现这些细胞通常表现出较低的RIG-I表达,这可能会降低高水平的Cap1 RNA的自身炎症潜力。细胞可以调整CMTR2的水平以影响其对宿主或病毒RNA的细胞反应,并且Cap1的异常水平可能导致与先天免疫反应过度激活有关的疾病。
除了抑制细胞RNA的免疫刺激作用外,Cap2还可能以其他方式影响mRNA。研究人员的全球分析显示,Cap2对mRNA翻译或稳定性有微小但明显的影响。因此,Cap2可以塑造基因表达,特别是对于长寿命转录本,以进一步增强它们在细胞中的稳定性并增加它们的蛋白质表达。此外,一些RNA可能对Cap2有更强的依赖性,以防止它们与RIG-I的相互作用,因此可能在抑制Cap2修饰时的先天反应方面具有更重要的作用。其他RNA可能有助于Cap2的生物学,包括snRNA。最后,Cap2与果蝇的神经元功能有关,表明Cap2在低等生物中的不同作用。
图4:Cap2是mRNA年龄的表观转录组标志。
研究人员开发了一套工具来分析和测量转录组和感兴趣的特定mRNA中的Cap2。使用CapTag-seq测量Cap1和Cap2帽标签揭示了批量mRNA中Cap2的总体患病率,而CLAM-Cap-seq涉及创建cDNA-cap标签嵌合体,这些嵌合体将mRNA的Cap2状态直接连接到由其产生的cDNA。随着新开发的生化和基于PCR的方法,可以轻松测量任何目标mRNA的Cap1或Cap2状态。
图5:Cap2甲基化抑制RIG-I活化和病毒诱导的先天免疫反应。
研究人员的数据显示,Cap2与其他表观转录组mRNA修饰有着根本的不同。首先,Cap2甲基化是一个动态过程,因为它在细胞质中mRNA的整个生命周期中不断积累。这与其他mRNA修饰形成鲜明对比,例如m6A,它们主要“写”在细胞核中,因此一旦mRNA离开细胞核,就很少或没有动力学潜力。尽管CMTR2对某些m的甲基化表现出轻微的偏好7G-近端序列,它不需要严格定义的序列基序。此外,Cap2的主要目的不是调节mRNA的命运,而是降低Cap1 RNA对旨在对抗入侵病原体的细胞内防御机制的总体负担。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05668-z


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M教授,博士生导师。北京大学博士,斯坦福大学博士后,欧盟Erasmus+访问学者。主要从事肿瘤分子生物学,药理学等研究,在相关领域取得了令人瞩目的成就。在Blood、Cancer Research、Oncogene、Journal of Clinical Investigation、Journal of Biological Chemistry等著名杂志已发表研究论文60多篇,IF>400。主持重点国合等项目。评审重点、重点国合、优青、杰青等不同类型项目,经验丰富。


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W教授,国内某高校教授,博士生导师。作为课题负责人先后主持肠道菌群与代谢组学研究国家级课题和部省级课题多项,并先后承担多项973计划课题中有关代谢组学方面的研究课题。所带领的团队主要采用代谢组学、生态学、生物信息学、分子生物学等多种宏观与微观相结合的方法,从宿主代谢与菌群微生态交互作用的角度对胃肠道疾病、神经退行性疾病的菌-肠-脑机制进行研究。目前已发表多篇SCI论文,在肠道菌群、代谢组学数据分析策略等相关领域受到了广泛关注和认可。


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国自然专家五:

S教授,博士生导师,研究员,百名青年学科带头人。主要从事单细胞组学、空间组学及表观组学的生物信息分析与调控机制解析。

S教授长期从事单细胞以及表观组学的生物信息学分析及功能研究。阐明RNA修饰调控多种生理(胚胎发育、精子发生、神经发育等)和病理过程(肿瘤发生、肥胖等)的分子机理,并通过单细胞组学揭示癌症等疾病发生的分子机制。其科研成果以(共同)第一作者发表于Nature,Nature Cell Biology,Science Translational Medicine,Molecular Cell, Cell Research等多个具有国际影响力的权威期刊上,引用超过4000次。


国自然专家六:

H教授,博士生导师,主持国家重点研发计划“干细胞及转化研究”重点专项(首席科学家)、国家自然科学基金(5项)、国家重点研发计划发育编程及其代谢调节重点专项PI、上海市科委重大课题等30余项课题,累计经费9600万元。发表论文72篇,其中SCI论文42篇,总影响因子323。以第一作者或通讯作者(含共同)发表SCI论文25篇,总影响因子186,4篇影响因子大于20。申请专利11项,其中5项已授权,国际PCT专利1项。参加专著和国家统编教材编写9部,承担教学课题和学生创新指导课题8项。研究成果被评为中国科学十大进展、细胞出版社中国年度论文、上海市优秀发明金奖、上海医学科技奖二等奖、浦东新区科技进步一等奖等。


国自然专家七:

Q教授,博士生导师,博士生导师,重塑相关心血管疾病教育部重点实验室副主任。兼中国生理学会副秘书长及中国病理生理学会常务理事。长期从事代谢异常与重塑相关心血管疾病的发病机制及潜在靶点研究。在Circulation、Hepatology、J Hepatol等杂志发表论文50余篇。主持国家自然科学基金重大研究计划等项目6项,参与科技部重点研发计划2项,入选北京市海外高层次人才计划及教委长城学者计划等。

国自然专家八:

X教授,脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项),省部级课题2项;发表通讯作者SCI 论文5篇;获得中华医学会科研奖励1项;培养博士1人,硕士16人。疾病转化医学重点实验室,主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人;重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者;美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员;Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目3项(国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项)。


国自然专家九:

L教授,医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人;重庆市中青年骨干教师,霍英东青年教师奖获得者;USCAP会员,国际老年痴呆协会会员,中国神经科学学会会员,多个国内外期刊审稿专家。近五年,主持国家级项目4项(国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项),省部级课题3项;发表通讯作者SCI 论文二十余篇;培养博士1人,硕士23人,曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。


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