表观遗传“淘金热”袭来 DNA 和 RNA 再发现改变相关领域

作者：杨超月

一些奇思妙想似乎会突然冒出来，不过 2008 年，Chuan He 却有意地寻找这样一个想法。美国国立卫生研究院当时刚刚启动资金支持高风险、高影响项目，伊利诺伊州芝加哥大学化学家 He 打算申请。不过，他首先需要一个好的领域。

他一直在研究修复损伤 DNA 的蛋白家族，他开始怀疑这些酶可能也会对 RNA 产生作用。运气使然，他遇到了分子生物学家 Tao Pan，后者一直在研究出现在 RNAs 上的叫作“甲基团”的特殊化学标记。两人在芝加哥大学同一所大楼里工作，于是开始频繁会面。通过谈话，他们的“大想法”成形了。

那时，生物学家正开始对表观遗传——修饰 DNA 及其蛋白折叠的一系列化学标记——变得兴奋。这些标记发挥着类似化学符号的作用，告诉细胞让哪些基因表达又让哪些基因保持静默。如此，表观遗传有助解释拥有类似 DNA 的细胞如何发展为大量不同的组织。

当 He 和 Pan 开始一起工作之时，绝大多数表观遗传学研究仍聚焦于 DNA 及其包括的组蛋白相关的标签。科学家在 RNA 上鉴定出了 100 多种不同的化学标记，没人知道它们是做什么的。He 当时研究的一些酶会剥落甲基团，He 和 Pan 好奇其中之一是否可在 RNA 上产生作用。如果该标记可以被逆转，那么它们可能形成了控制基因表达的一种全新方式。2009 年，他们得到资助搜寻 RNA 上的可逆转标记以及清除它们的蛋白。

9 年后，类似研究已经形成自己的领域——表观转录组。He 和其他人发现，附着到 RNA 的 4 个碱基之一腺嘌呤的一个甲基团在细胞分化中具有重要作用，并可能会导致癌症、肥胖以及更多疾病。2015 年，He 的实验室和另外两个团队在 DNA 腺嘌呤碱基上发现了同样的化学标记，表明表观基因组可能比此前想象的更丰富。研究已经启动。“我认为我们正在接近表观遗传学和表观转录组研究的黄金时代。”纽约市威尔康乃尔医学院遗传学家 Christopher Mason 说，“我们实际上可以看见数十年前就已经知道存在的所有这些修饰。”

标记信使

分子生物学的调节规则——中心法则认为，信息会从 DNA 流向信使 RNA（mRNA），之后再流向蛋白。很多科学家因此认为 mRNA 只不过是一个“通讯员”，将细胞核内编码的遗传信息携带至细胞质内的蛋白工厂。这是为什么很少有研究人员关注 mRNA 修饰的一个原因。

不过，这并非什么秘密。推动 He 走到表观转录组研究前沿的标记于 1974 年首先在 mRNA 上被发现。东兰辛密歇根州立大学有机化学家 Fritz Rottma 和同事写道，RNA 甲基化可能是挑选某种转录组转译为蛋白的一种渠道。“但那全都是猜测。”1974 年那篇文章的作者、密歇根州立大学遗传学家 Karen Friderici 说。该团队没有好的方法研究该标记的真正功能。“那是分子生物学的开端。当时我们没有现在可获得的足够工具。”她说。

30 多年后，He 和 Pan 发现相关工具仍旧缺乏。“很难真正研究这些修饰。”Pan 说。它需要强大的质谱仪和高通量测序技术。

当时，He 实验室的两名成员 Ye Fu 和 Guifang Jia 却千方百计地向前推动，他们聚焦一个叫作 FTO 的蛋白，这是 He 的团队曾经研究的甲基剥离酶家族的一部分。两人认为它可能会去除 RNA 上的甲基团，于是便设法鉴定其目标。Fu 和同事开始合成包括不同修饰的 RNA 片段，以决定 FTO 是否可以去除它们。这一研究进展缓慢。Fu 说，3 年的研究中，该团队面临着一系列的失败，“我几乎认为可能永远不会找到该功能”。

最终，2010 年，该团队决定验证 FTO 在 m6A（甲基腺嘌呤）上的活性。该标记消失了。该团队首次表明 RNA 甲基化是可逆转的，就像那些在 DNA 和组蛋白上发现的标记一样。对 He 来说，它似乎是基于 RNA 的基因调控系统的证据。

证据积累

He 的团队并非考虑到 m6A 的唯一团队。2012 年，两个独立研究团队发表了 m6A 出现位点的首批图像。两项研究揭示了约 7000 个基因 mRNA 上的超过 1.2 万个甲基位点。“经过多年在黑暗中的摸索之后，我们突然看到了宽阔的远景。”其中一篇文章作者 Dan Dominissini 在发表于《科学》的评论中说。

图像表明，m6A 的分布并不是随机的。其位置表明该标记可能在 RNA 转录物可变剪接中拥有一定角色，这一机制让细胞产生来自单个基因的一个蛋白的多个版本。

过去数年，研究人员已经鉴定出参与调解这些标记的一些机制。随着这些蛋白身份的显现，每个都需要一个转录器安置它、一个橡皮擦清除它以及一个阅读器解释它，科学家已经了解到 m6A 不仅会影响 RNA 拼接，还有转译及其稳定性。