| 表觀遺傳「淘金熱」襲來 |
| DNA和RNA再發現改變相關領域 |
經過多年在黑暗中的摸索之後，我們突然看到了寬闊的遠景。
圖片來源：Illustration by Nik Spencer/Nature
一些奇思妙想似乎會突然冒出來，不過2008年，Chuan He卻有意地尋找這樣一個想法。美國國立衛生研究院當時剛剛啟動資金支持高風險、高影響項目，伊利諾州芝加哥大學化學家He打算申請。不過，他首先需要一個好的領域。
他一直在研究修復損傷DNA的蛋白家族，他開始懷疑這些酶可能也會對RNA產生作用。運氣使然，他遇到了分子生物學家Tao Pan，後者一直在研究出現在RNAs上的叫作「甲基團」的特殊化學標記。兩人在芝加哥大學同一所大樓裡工作，於是開始頻繁會面。通過談話，他們的「大想法」成形了。
那時，生物學家正開始對表觀遺傳——修飾DNA及其蛋白摺疊的一系列化學標記——變得興奮。這些標記發揮著類似化學符號的作用，告訴細胞讓哪些基因表達又讓哪些基因保持靜默。如此，表觀遺傳有助解釋擁有類似DNA的細胞如何發展為大量不同的組織。
當He和Pan開始一起工作之時，絕大多數表觀遺傳學研究仍聚焦於DNA及其包括的組蛋白相關的標籤。科學家在RNA上鑑定出了100多種不同的化學標記，沒人知道它們是做什麼的。He當時研究的一些酶會剝落甲基團，He和Pan好奇其中之一是否可在RNA上產生作用。如果該標記可以被逆轉，那麼它們可能形成了控制基因表達的一種全新方式。2009年，他們得到資助搜尋RNA上的可逆轉標記以及清除它們的蛋白。
9年後，類似研究已經形成自己的領域——表觀轉錄組。He和其他人發現，附著到RNA的4個鹼基之一腺嘌呤的一個甲基團在細胞分化中具有重要作用，並可能會導致癌症、肥胖以及更多疾病。2015年，He的實驗室和另外兩個團隊在DNA腺嘌呤鹼基上發現了同樣的化學標記，表明表觀基因組可能比此前想像的更豐富。研究已經啟動。「我認為我們正在接近表觀遺傳學和表觀轉錄組研究的黃金時代。」紐約市威爾康乃爾醫學院遺傳學家Christopher Mason說，「我們實際上可以看見數十年前就已經知道存在的所有這些修飾。」
標記信使
分子生物學的調節規則——中心法則認為，信息會從DNA流向信使RNA（mRNA），之後再流向蛋白。很多科學家因此認為mRNA只不過是一個「通訊員」，將細胞核內編碼的遺傳信息攜帶至細胞質內的蛋白工廠。這是為什麼很少有研究人員關注mRNA修飾的一個原因。
不過，這並非什麼秘密。推動He走到表觀轉錄組研究前沿的標記於1974年首先在mRNA上被發現。東蘭辛密西根州立大學有機化學家Fritz Rottma和同事寫道，RNA甲基化可能是挑選某種轉錄組轉譯為蛋白的一種渠道。「但那全都是猜測。」1974年那篇文章的作者、密西根州立大學遺傳學家Karen Friderici說。該團隊沒有好的方法研究該標記的真正功能。「那是分子生物學的開端。當時我們沒有現在可獲得的足夠工具。」她說。
30多年後，He和Pan發現相關工具仍舊缺乏。「很難真正研究這些修飾。」Pan說。它需要強大的質譜儀和高通量測序技術。
當時，He實驗室的兩名成員Ye Fu和Guifang Jia卻千方百計地向前推動，他們聚焦一個叫作FTO的蛋白，這是He的團隊曾經研究的甲基剝離酶家族的一部分。兩人認為它可能會去除RNA上的甲基團，於是便設法鑑定其目標。Fu和同事開始合成包括不同修飾的RNA片段，以決定FTO是否可以去除它們。這一研究進展緩慢。Fu說，3年的研究中，該團隊面臨著一系列的失敗，「我幾乎認為可能永遠不會找到該功能」。
最終，2010年，該團隊決定驗證FTO在m6A（甲基腺嘌呤）上的活性。該標記消失了。該團隊首次表明RNA甲基化是可逆轉的，就像那些在DNA和組蛋白上發現的標記一樣。對He來說，它似乎是基於RNA的基因調控系統的證據。
證據積累
He的團隊並非考慮到m6A的唯一團隊。2012年，兩個獨立研究團隊發表了m6A出現位點的首批圖像。兩項研究揭示了約7000個基因mRNA上的超過1.2萬個甲基位點。「經過多年在黑暗中的摸索之後，我們突然看到了寬闊的遠景。」其中一篇文章作者Dan Dominissini在發表於《科學》的評論中說。
圖像表明，m6A的分布並不是隨機的。其位置表明該標記可能在RNA轉錄物可變剪接中擁有一定角色，這一機制讓細胞產生來自單個基因的一個蛋白的多個版本。
過去數年，研究人員已經鑑定出參與調解這些標記的一些機制。隨著這些蛋白身份的顯現，每個都需要一個轉錄器安置它、一個橡皮擦清除它以及一個閱讀器解釋它，科學家已經了解到m6A不僅會影響RNA拼接，還有轉譯及其穩定性。
m6A是否會指引一個細胞產生蛋白還是破壞一個轉錄物，取決於該標記的位置以及與其結合的閱讀器。但以色列特拉維夫大學參與繪製m6A的遺傳學家Gideon Rechavi說，了解這一選擇如何進行一直是一項重要挑戰。
清楚的是m6A在細胞分化中發揮著重要作用。缺乏該標記的細胞會處於類似幹細胞或祖細胞的狀態。這可能是致命的，當He與同事讓小鼠體內的m6A編寫器失去功能後，很多胚胎在子宮內死亡。
He對m6A可能的角色做了解釋。每次一個細胞從一個狀態轉變為另一個狀態時，如分化，其內部的mRNA一定也會改變。這會改變mRNA的內容，He稱其為轉錄開關，它需要精確和仔細的定時。He認為，甲基標記可能是細胞讓數千個轉錄物的行為同步化的一種方式。
第五鹼基
儘管科學家一直都知道RNA攜帶了大量裝飾其全部4個鹼基的修飾，但哺乳動物DNA似乎只有少量標記，且所有都在胞核嘧啶上。哺乳動物中最常見的修飾5-甲基胞嘧啶（5mC）非常重要，它通常被看作A、C、T和G之後的「第五個鹼基」。He想知道基因組中是否藏有其他標記。細菌攜帶著m6A的DNA對等物——N6-甲基腺嘌呤（6mA）。「它們用甲基化區分其自己的DNA和外來DNA。」麻薩諸塞州波士頓兒童醫院生化學家Eric Greer說。但研究人員很難在更複雜的有機體中確定它的存在。
2013年，He的博士後Fu和Guan-Zheng Luo決定進一步開展研究，繪製海藻衣藻END中6mA的分布。他們在超過1.4萬個基因中發現了它。而且其分布並不是隨機的：6mA簇擁在轉錄物開始的地方。「我們看到周期性的波峰。就像一個波峰連接著一個波峰。」Fu說。他們推理說，它可能在促進基因活化。
在距離波士頓約2000公裡的地方，Greer與同事在秀麗隱杆線蟲的基因組中也發現了6mA的存在。此外，其水平似乎在生育力較低的代際中更高。這一結果令人吃驚。研究人員曾在多細胞有機物中尋找6mA，但因為其水平過低而未能發現。
耶魯大學表觀遺傳學家Andrew Xiao讀到這篇文章後很興奮。當年，該團隊和英國劍橋大學古爾登研究所的John Gurdon帶領的另一個團隊發現，6mA在小鼠和人類等多個脊椎物種中擁有極低水平。
「他的論文絕對是一枚炸彈。」威爾康乃爾醫學院研究人員Samie Jaffrey說，「它真正展示了6mA的功能角色。」He和Shi均表示還在哺乳動物細胞內發現了6mA，但尚未發表研究成果。
Shi表示，目前6mA的重要性尚不清楚。他指出即便用最新的技術，也僅能探測到修飾的邊界，而其精確位置卻不能繪製出。而且6mA的模式可能會隨著組織的不同而改變。仍有很大的問題需要解決。
在一些研究人員深入研究m6A和6mA的功能時，還有一些人在尋找新的修飾。「我們尚處於這個故事的開端。」Rechavi說。隨著技術的提高，科學家將能夠更加清晰地看到這些標記。他說，研究可能性的豐富程度讓Mason覺得「愉快」。「現在好像是在這一領域工作最激動人心的時刻。」（晉楠編譯）
《中國科學報》 (2017-04-13 第3版 國際)