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科研資訊 |RNA 甲基化調控精子 circRNA 富集新機制

2020-04-01點擊12次
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上一期小編給大家分享了編輯部評論文章,介紹了克服新冠病毒變異潛在耐藥性的方法。今天小編繼續帶領大家欣賞本期 Cell Research 上的 RNA 甲基化研究成果。希望通過以下 RNA 甲基化研究文獻的研讀,明確在該期刊上發表文章需要做到的深度和采用的技術手段。當然,最重要的是通過這篇文章,一起了解一下伯豪公司能夠在該領域帶給大家什么技術服務。


好了,開始本期的文獻之旅~


m6A-dependent biogenesis of circular RNAs in male germ cells

雄性生殖細胞中 m6A 依賴的 環狀 RNA 生物發生


摘要:           

大部分從編碼基因剪接而來的環狀 RNA (circRNAs) 大部分含有開放閱讀框(ORFs),因此具有編碼蛋白質的潛力。目前還不清楚是什么調控了這些含 ORF 環狀 RNA 的生物發生。作者在研究中報道了小鼠精子形成過程中有大量環狀 RNA 的合成,當晚期粗線精母細胞發育成圓形,進而拉長為精子細胞時,環狀 RNA 的豐度增加。對于一部分環狀 RNA 來說,反剪接似乎主要發生在富含 m6A 的位點,這些位點通常位于線性 mRNA 的起始密碼子和終止密碼子周圍。大約一半的雄性生殖細胞中帶有大型 ORF 的環狀 RNA 在其連接處含有 m6A 修飾的起始密碼子,這些特征最近被證明與蛋白質編碼潛能有關。利用液相色譜 - 質譜聯用技術檢測了這些環狀 RNA 連接序列編碼的數百個多肽,表明這些環狀 RNA 確實可以在發育中的(精母細胞和精子)和成熟的(精子)男性生殖細胞中被翻譯成蛋白質。本研究不僅發現了 m6A 在編碼環狀 RNA 的生物發生中發揮的新作用,而且還發現了一種潛在的機制:可以在沒有線性信使 RNA 的情況下,確保穩定和持久的蛋白質生產,即通過產生包含大型 ORFs 的環狀 RNA,并在連接處具有 m6A 修飾起始密碼子。


研究結果

結果一:環狀 RNA 在精子發生過程中大量表達            

為了尋找小鼠生精細胞中整個的 RNA 轉錄組,作者分別在有或無 RNA 酶 R 處理情況下建立了 RNA 庫,并基于兩個原因采用了 RNA 深度測序:首先,作者希望看到核糖核酸酶 R 處理的 RNA-seq 是否會導致較高 circRNA 注釋假陽性率。其次,是想用總的線性 RNA 作為 circRNA/ 連接 reads 標準化的內參。為了加強 circRNA 的發現比例,作者還采用了最近報道的一種 circRNA 富集方法:RNAse R 處理,然后進行聚腺苷酸化和 poly A + RNA 耗竭(RPAD)。RPAD 方法選擇性地去除了大部分的線性 mRNA,從而從總 RNA 中富集環狀 RNA,用于構建文庫和深度測序。兩種傳統的 RNA-seq 方法在三種生精細胞類型(粗線精母細胞、圓形和伸長的精子細胞)中環狀 RNA 的總體表達模式相似,總共有 65,500 個環狀 RNA 從 rpad -seq 數據中被注釋。重要的是,從常規 RNA-seq 數據中識別出的環狀 RNA 中,約 80% 可以在 rpad -seq 數據中得到驗證,說明兩種方法的假陽性率相似。考慮到合適的歸一化方法和有限的起始材料,作者決定在以下所有分析中,主要使用從傳統 RNA-seq 數據中識別的環狀 RNA(不使用 RNAse R 處理)。


結果二:CircRNA 水平隨著精子發生的進展而增加            

越來越多的數據表明,在精子發生過程中,mRNA 轉錄本的整體縮短是通過多聚腺苷酸化信號的活化和精細胞中長 3'UTR 轉錄本的選擇性降解來實現的。circRNA 的產生與剪接活性呈正相關。考慮到精子發生的進程從晚期減數分裂到單倍體階段選擇性剪接的增強,作者首先測試了環狀 RNA 的生物發生的提高是否也發生在這一階段。作者發現,當粗線精母細胞發育成圓形 / 拉長的精子細胞時,獨特環狀 RNA 的數量(圖 1a) 和相對豐度(圖 1b,) 都急劇增加。


有趣的是,它們相應的線性形式的水平從粗線精母細胞到圓形 / 拉長的精子細胞這一過程下降,環狀 / 線形比率顯著增加。


作者通過檢測三種精子形成所必需基因(Ddx4、Spag16 和 Trim37) 的線狀和環形水平來實驗驗證這一發現。這些數據表明,從粗線精母細胞和圓形精子細胞退化為細長精子細胞時,環狀 RNA 的水平會升高。

GO 富集分析顯示,這些環狀 RNA 的宿主基因參與了精子發生過程中的關鍵事件,如表觀基因組調控(DNA 甲基化、組蛋白修飾和核小體組織)和精子運動(纖毛運動、軸突組裝和微管束形成)。環狀 RNA 的半衰期要比線性 RNA 長得多,因為它們缺乏自由末端,因而不易降解。考慮到線性 RNA,特別是那些具有較長 3’utrs 的 RNA,在精子發生后期正處于積極的降解過程中,環狀 RNA 水平的升高可能代表了一種機制。通過這種機制,在精子發生的后期,某些具有特殊重要性的轉錄本可以被保留下來,用于蛋白質的生成。

重點來了!



結果三:CircRNA 的積累與 m6A 位點的剪接增強相關            

最近的數據表明,m6A 參與調控體細胞和雄性生殖細胞的選擇性剪接。在作者最近的研究中已經證明,ALKBH5 失活導致 WT 粗線精母細胞和圓形精子細胞中較長 mRNA 轉錄本被剪接成較短的轉錄本,這些較長的轉錄本中存在較高水平的 m6A。這表明 m6A 水平升高的 pre-mRNAs 似乎更緊密地結合剪接小體,從而導致增強的剪接。如果 m6A 參與了這一過程,則 m6A 水平應升高,而 ALKBH5 水平應降低。事實上,根據作者對 WT 生精細胞的 RNA-Seq 分析,從粗線精母細胞到圓形 / 拉長的精子細胞,Alkbh5 mRNA 水平確實下降。

為了進一步證實 ALKBH5 影響 circRNA 的產生,作者進行了體外的 ALKBH5 敲除和 minigene 報告基因測定。這些數據表明,抑制 ALKBH5 確實可能通過增強剪接來提高 circRNA 的產量。


為了進一步建立 circRNA 的產生與 m6A 水平之間的關系,作者進行了 m6A RNA 免疫沉淀,并進行了深度測序(m6A- RIP -seq) 分析。通過對 circRNA 豐度和 m6A 水平的分析,作者發現環狀 RNA 越豐富,其所含 m6A 水平越高。這種正相關強烈提示我們環狀 RNA 是從 m6A 富集位點剪接而來的。如果這個觀點是正確的,那么 m6A 免疫沉淀產物應該含有豐富的環狀 RNA。事實上,通過使用 m6A-RIP-seq reads 注釋環狀 RNA,作者觀察到,圓形 / 線形比率從粗線精母細胞到圓形增加,然后到細長的精子細胞進一步增加。m6A- RIP -seq reads 的環狀 / 線性比顯著高于 RNA-seq,說明 m6A 的環狀 RNA 連接區域明顯富集。


作者將這些連接片段分為頭(靠近 5 '端)和尾(靠近 3' 端)片段,然后將它們映射到線性 mRNA 上。分析數據顯示,這些 m6A - RIP 富集的環狀 RNA 包含長度可變的 ORF,其中大多數擁有起始密碼子,有些甚至同時擁有起始密碼子和終止密碼子。


結果四 一類環狀 RNA 的 ORF 中含有 m6A 修飾的起始密碼子            

只有少數來自基因間區域的環狀 RNA 被證明可以作為 miRNA 海綿,而大部分編碼基因剪接的環狀 RNA 含有 ORFs,因此具有蛋白編碼的潛力。最近的一份報告表明,一些含有 ORF 的環狀 RNA 可以通過 m6A 修飾的起始密碼子作為內部核糖體進入位點(IRES) 有效地翻譯成蛋白質,而 IRES 可以被 m6A 的讀者 YTHDF3 識別。如果這些 RNA 環可以被翻譯成蛋白質,那么將線性 mRNA 轉化成具有編碼能力的環狀 RNA 將是繞過大量 mRNA 降解并維持某些蛋白質持續產生的理想機制,而這些蛋白質對晚期精子形成尤為重要。

在精子發生的減數分裂晚期和單倍體早期(粗線精母細胞→圓形精子細胞→細長精子細胞),環狀 RNA 主要來源于外顯子。有趣的是,通過將頭部和尾部的連接處 reads 映射到全長的宿主線性 mRNA,作者觀察到這些連接似乎在起始密碼子和終止密碼子(圖 3b 中指向兩個峰值的箭頭)中都得到了富集,這表明這些環狀 RNA 可能含有全長或部分 ORFs.


如果這些環狀 RNA 是可翻譯的,那么這意味著盡管線性 mRNA 大量降解,部分或全長蛋白仍可在伸長的精子細胞中產生。更有趣的是,作者還觀察到具有更高的循環 / 線性比率的環狀 RNA (即,circRNA 作為轉錄的主要輸出)相對于那些低循環 / 線性比率(即,以線性 RNA 為主要轉錄輸出)具有更多完整的 ORF。這些數據表明,這些含 ORF 的環狀 RNA 可以逐漸取代它們的線性形式,這可能是為了即使在線性 mRNA 降解后,仍能維持蛋白質的連續生產。


接下來,作者研究了 m6A 修飾的起始密碼子是否富集在這些環狀 RNA 的連接位點。對生精細胞的 m6A-RIP-seq 分析顯示,獨特環狀 RNA 的數量從粗線精母細胞到圓形和伸長的精子細胞演化過程中增加,并在伸長的精子細胞中達到峰值。進一步對宿主基因的頭(5 '端)和尾(3' 端)連接序列比對發現,在起始密碼子周圍存在豐富的 m6A,表明這些環狀 RNA 確實含有 m6A 修飾的起始密碼子。考慮到 m6A 修飾的起始密碼子可以被 YTHDF3 識別并作為翻譯起始的 IRES,這個發現表明這個環狀 RNA 亞群可能是可翻譯的。

綜上所述,這些數據表明,在晚期減數分裂(精子母細胞)和單倍體(精子單體)男性生殖細胞中富集的環狀 RNA,大多同時包含完整的 ORFs 和 m6A 修飾的起始密碼子。這些環狀 RNA 很可能是為了維持蛋白質的持續生產,這對晚期精子形成和精子功能至關重要。


結果五:ALKBH5 和 METTL3 通過調節 m6A 水平影響環狀 rna 的生物合成          

為了建立 m6A 和環狀 rna 之間的因果關系,作者分析了來自 Alkbh5- 和 Mettl3-null 的數據。作為 m6A 的擦除劑,ALKBH5 已被證明在精子形成過程中起著關鍵作用。在 alkbh5 缺失的粗線精母細胞中,circRNA 的水平已經達到峰值。事實上,與 WT 對照組相比,alkbh5 缺失的生精細胞中圓形 / 線形比率明顯上調。METTL3 起著 m6A 增加的作用,缺乏 METTL3 已被證明會導致減數分裂期的生精停滯和男性不育。如果 m6A 水平影響 circRNA 的產生,則 metll3 缺失的生精細胞中 circRNA 的生物發生應該被下調。這些數據進一步支持了 m6A 影響減數分裂和單倍體男性生殖細胞中環狀 rna 產生的觀點。


結果六:精子攜帶大量進化上保守的環狀 RNA           

考慮到環狀 RNA 比線性 RNA 更穩定,作者推測 spermatozoa 中可能存在少量環狀 RNA。令作者驚訝的是,環狀 RNA 在精細胞中的含量是精母細胞和精原細胞的 50-100 倍。


作者純化了胞質液滴(CDs),這是一種只存在于附睪精子中的瞬時細胞器,作者發現 CDs 中也含有大量環狀 RNA。作者分析了全精子和精子頭部的 circRNA 含量,發現全精子中獨特的 circRNA 數量是精子頭部的 3 倍,說明大部分環狀 RNA 定位于精子尾部和連接部位 / 頸部。作者還發現約 30% 的精源性環狀 RNA 存在于伸長的精細胞中,說明精源性環狀 RNA 來源于精子發生。

為了進一步探索 circRNA 在人類精子中的潛在作用,作者使用 RNA-seq 分析了 circRNA 在高生育(IVF 中妊娠率為 25%) 和低生育(IVF 中妊娠率 <10%) 人類精子中的表達。高生育能力的精子比低生育能力的精子含有更多的環狀 RNA。與高生育能力精子相比,低生育能力精子中存在更多的線性 RNA。這些數據表明,精子中含有大量的環狀 RNA,這些環狀 RNA 可能在生命中發揮作用。


結果七:環狀 RNA 在生精細胞和精子中都可以被翻譯成蛋白質            

如上所述,環狀 RNA 的翻譯代表一種代償機制,以確保晚期精子形成的關鍵蛋白的持續產生。然而,翻譯的直接證據仍然缺乏。很難明確地證明環狀 RNA 的翻譯,因為環狀 RNA 和它們的同源線性形式都具有相同的 ORFs。因此,作者無法區分檢測到的肽的來源(環狀 RNA 和它們的線性形式)。由于豐度極低,需要使用基于 LC-MS 的蛋白質組學方法來識別這些罕見但獨特的連接肽。將 LC-MS 鑒定的所有肽段與數據庫進行比對,從三種生精細胞類型和精子中鑒定出數百個高可信的連接肽(99%)。作者還在 NCBI 蛋白數據庫中對這些連接肽進行了分析,發現只有 1 - 2 次比對上,表明假陽性率很低(<0.5%)。因此,絕大多數(99.8%) 的多肽是環狀 RNA 的連接序列所特有的。這些數據有力地表明,男性生殖細胞環狀 RNA 在減數分裂晚期和單倍體男性生殖細胞中積累,并為晚期精子形成和正常精子功能提供持續的蛋白質供應。


目前,RNA 甲基化是機制研究的熱點,已有的研究表明 RNA 甲基化修飾發生在很多重要的生命進程中。RNA 甲基化檢測的技術主要包括 LC-MS,m6A-seq,m6A-IP-PCR 等。伯豪生物現在已經具備提供 m6A-seq 服務的能力,而且富集實驗得到的 motif GGAC 序列可以排在前三位,并且承諾如果不在前三位給客戶免費重新富集。更為重要的是,為了解決前期 m6A-seq 檢測的盲目性等問題,基于質譜分析的 m6A 檢測也在緊鑼密鼓的研發測試中,預計 4 月初就可以為廣大客戶提供檢測服務。


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