Nature | 揭开mRNA的Cap2甲基化之谜

研究成果1年前 (2023)发布 Robin
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mRNA甲基化有5种主要的形式,分别是m7G、m6A、m6AmCap1Cap2,其中Cap1和Cap2存在于mRNA的帽子结构上,Cap1是转录的第一个核苷酸上存在2’-O-甲基化,而Cap2是转录的第一个和第二个核苷酸上都存在2’-O-甲基化。

虽然Cap2已经被发现了近50年了,但是由于缺乏有效的检测手段,到目前为止,Cap2的功能仍不清楚。
2023年2月1日,来自美国康奈尔大学的Samie R. Jaffrey研究团队在Nature上发表题为mRNA ageing shapes the Cap2 methylome in mammalian mRNA的文章,他们开发了一种名为CLAM-Cap-seq的技术在转录组水平分析并定量Cap2,发现Cap2可以存在于所有mRNA上,在细胞质中mRNA随着“衰老”缓慢地由Cap1转变为Cap2,在半衰期较长的mRNA上Cap2明显富集,Cap1水平上升可以激活RIG-I介导的免疫反应,但是Cap1到Cap2的转变会显著降低RNA结合并激活RIG-I的能力,细胞中Cap1向Cap2缓慢转化的过程可能可以使得机体更好地应对病毒
Nature | 揭开mRNA的Cap2甲基化之谜
为了研究细胞中Cap2的水平及其动态变化,研究人员开发了一种名为CapTag-seq的测序技术,来检测细胞中具有Cap2修饰的mRNA水平,发现在不同的哺乳动物细胞系中Cap2的相对丰度差异较大,例如在小鼠胚胎干细胞中大约是25%,在HEK293T细胞中是40%,在A549和MCF-7细胞中高达54%和56%,此外,秀丽线虫中Cap2只有0.9%,果蝇和斑马鱼中水平也非常低,大约只有12%。在小鼠的不同组织中,Cap2水平差异也很大,大脑中大约有8%,而脾脏中大约有30%。此外,Cap2修饰存在于所有16种二核苷酸组合中,虽然程度存在差异。
为了研究是哪些mRNA上存在Cap2修饰,他们开发了CLAM-Cap-seq技术,将带有帽子标签的mRNA与其产生的cDNA偶联在一起,通过测序就可以知道转录组中每个mRNA帽子的甲基化状态,此外,他们还开发了一种生化技术,CapOligo-PAGE,来验证CLAM-Cap-seq的真实性。通过CLAM-Cap-seq,他们得到了细胞的Cap2甲基化组,通过聚类分析,发现Cap2修饰的mRNA与特定的细胞通路相关,包括基本代谢通路以及看家基因。
由于Cap2是在细胞质中形成的,他们猜测Cap2可能会与细胞质中mRNA的翻译以及稳定性相关,利用polysome-TSS-seq,他们发现Cap2轻微富集于翻译效率增加的mRNA上,并且还发现最高和最低水平Cap2的mRNA的半衰期寿命存在很大差异。但是进一步研究发现,Cap2修饰并不会赋予mRNA更高的稳定性,而是更长的半衰期造成了更高的Cap2水平,他们发现”年轻“的mRNA大约具有11%的Cap2修饰水平,而”老“的mRNA大约具有42%的Cap2修饰水平,也就是说,随着mRNA的”衰老“,Cap2水平逐渐上升
最后,为了研究Cap2甲基化修饰的功能,他们敲除了负责给mRNA加上Cap2修饰的甲基转移酶CMTR2,通过转录组测序发现,下调的基因主要富集在翻译和RNA加工途径上,而上调的基因主要与先天免疫反应和炎症通路相关,CMTR2敲除会显著诱导抗病毒基因干扰素刺激基因(ISGs)的表达
RNA的甲基化修饰会影响其与免疫感受器RIG-I的结合,他们发现RIG-I介导了CMTR2敲除细胞中ISGs的表达上调,敲除RIG-I可以显著抑制CMTR2敲除细胞中ISGs的上调,并且,RIG-I可以与Cap0或Cap1 RNA结合,但是与Cap2结合的RIG-I显著减少,此外,在水平很高的情况下,Cap1 RNA可以激活RIG-I,但是Cap2可以抑制Cap1与RIG-I结合,从而抑制Cap1诱导的免疫反应,因此,Cap2修饰会抑制RIG-I的激活
但是细胞中为什么会存在一个缓慢的Cap1到Cap2的转换过程呢?
他们认为这可能是机体为了对抗病毒,病毒基因组上自身就编码可以将RNA Cap1化的酶,但是病毒并不具有CMTR2,因此病毒必须要利用宿主的CMTR2来完成Cap2修饰,他们发现病毒诱导的Cap1水平上升可以激活先天免疫反应,而在CMTR2过表达细胞中,病毒诱导的免疫反应被抑制,说明细胞维持缓慢的Cap2甲基化过程可能是为了检测并响应病毒的入侵,在病毒的Cap1 RNA获得足够高水平的Cap2之前激活免疫反应
Nature | 揭开mRNA的Cap2甲基化之谜
CLAM-Cap-seq技术
总的来说,这项研究为RNA的Cap2修饰研究提供了一套有效的方法,发现在细胞质中随着mRNA的衰老,Cap1逐渐向Cap2转化,Cap2富集于半衰期更长的mRNA上,并且Cap1水平上升会激活免疫反应,而Cap2可以抑制Cap1诱导的免疫反应。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05668-z

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