m6A甲基化修飾在植物生長發(fā)育中的功能研究進展

楊慶玲 向小雪 婁紅梅

摘要 N6-甲基腺苷（m6A）是真核mRNA最豐富的內(nèi)部修飾，在人類和其他哺乳動物的生長發(fā)育中發(fā)揮重要的生物功能，在植物中也發(fā)揮著至關(guān)重要的調(diào)控作用，其在植物中的功能和分子調(diào)控機制一直是研究的熱點。概述了m6A甲基化的基本組成以及其在動植物中的相應(yīng)組分，重點闡述了其在植物生長發(fā)育中的作用，探討目前存在的問題，旨在為深入研究m6A甲基化在植物中的作用機制以及提高植物生產(chǎn)力、培育優(yōu)良品種提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 RNA修飾;N6-甲基腺苷（m6A）;甲基化;植物生長發(fā)育

中圖分類號 Q943.2? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）05-0015-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.005

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Research Progress on Function of m6A Methylation Modification in Plant Growth and Development

YANG Qing-ling，XIANG Xiao-xue，LOU Hong-mei

（School of Bioengineering， Chongqing University， Chongqing 400044）

Abstract N6-methyladenosine （m6A） is the most abundant internal modification of eukaryotic mRNAs and plays an important biological function in the growth and development of humans and other mammals.It also plays a crucial regulatory role in plants， and its function and molecular regulatory mechanisms in plants have been the focus of research. The basic composition of m6A methylation and its corresponding components in animals and plants are summarized， its role in plant growth and development is emphatically described， and the existing problems are discussed in order to study the mechanism of m6A methylation in plants and improve plant productivity and cultivate excellent varieties for theoretical basis.

Key words RNA modification;N6-methyladenosine （m6A）;Methylation;Plant growth and development

作者簡介 楊慶玲（1996—），女，重慶人，碩士研究生，研究方向：植物分子生物學(xué)。

收稿日期 2021-05-25

真核生物中已經(jīng)確定有超過160種RNA修飾，常見的修飾包括N6-腺苷酸甲基化（m6A）、N1-腺苷酸甲基化（m1A）、胞嘧啶羥基化（m5C）等[1]，而m6A作為真核生物最豐富的內(nèi)部修飾，廣泛存在于RNA、mRNA、tRNA、miRNA和長的非編碼RNA中[2]。m6A是一種動態(tài)可逆的修飾方式，在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中發(fā)揮作用，影響RNA代謝的各個方面，例如調(diào)控基因表達、RNA 編輯、控制mRNA壽命和降解等，具有重要的研究意義[3]。

到目前為止，大多數(shù)m6A研究集中在人類和其他哺乳動物系統(tǒng)，而在植物中的研究則相對較少。該研究綜述了m6A甲基化修飾在植物系統(tǒng)中的最新研究進展，探討目前研究存在的問題，有助于更好地理解m6A修飾的作用，以期更加全面地理解m6A甲基化修飾在植物生長發(fā)育各階段的復(fù)雜調(diào)控機制。

1 m6A甲基化

1.1 m6A甲基化概述

m6A甲基化是指腺苷核苷酸在N-6位置的甲基化，這是一個動態(tài)可逆的過程[4]。m6A修飾是非常保守的，在植物中，m6A修飾是由特定的甲基化酶識別固定的基序來完成的，在植物中通常為基序RRACH（R = G or A;H：U>A>C）[5]。但是生物體中m6A修飾水平遠低于RRACH豐度，表明并不是所有的RRACH基序都會進行甲基化修飾，也就意味著M6A修飾還有其他復(fù)雜的調(diào)控途徑尚未研究透徹。

m6A修飾系統(tǒng)由發(fā)揮甲基化功能的甲基化酶（writers），逆轉(zhuǎn)甲基化的去甲基化酶（erasers），以及識別甲基化的識別蛋白（readers）組成。它們主要通過在RNA上添加、去除和結(jié)合m6A位點，來調(diào)節(jié)RNA 的命運[6]。

1.2 動物中的m6A組分

m6A修飾首先在哺乳動物中被發(fā)現(xiàn)[7]。METTL3作為第1個甲基化酶在哺乳動物中被發(fā)現(xiàn)并克隆[8]。第2種m6A甲基化組分METTL14與METTL3高度同源，二者可結(jié)合形成穩(wěn)定復(fù)合物METTL3-METTL14實行m6甲基化修飾[9-10]。第3種甲基化組分WTAP可以與這種復(fù)合物相互作用從而影響這種甲基化[11]。KIAA1429沉默后觀察到細胞的m6A水平顯著下降，因此被認定為甲基化復(fù)合物的第4種組分[11]。 性別影響因子Virilizer可以通過m6A修飾控制性別決定，被認為是第5種甲基化組分[12]。

由于過去研究m6A修飾方法的局限性，一直以來人們都以為它是一種靜態(tài)修飾，直到發(fā)現(xiàn)脂肪量和肥胖相關(guān)蛋白（FTO）可以逆轉(zhuǎn)RNA上的m6A甲基化修飾時[13]，人們才意識到這種修飾是可逆的，因此更加激發(fā)了人們對m6A甲基化修飾的研究熱情。值得注意的是，最近的一項研究表明，當(dāng)?shù)孜餅镹6，2-O-二甲基腺苷（m6Am）而不是m6A時，F(xiàn)TO具有更高的催化速率[14]。第2個m6A去甲基化酶ALKBH5（烷基化修復(fù)同源物5）是FTO的同源物[15]，其m6A去甲基化活性影響哺乳動物細胞內(nèi)的總RNA合成和mRNA輸出。

m6A識別蛋白用于識別m6A甲基化修飾，對于mRNA后續(xù)生命進程的控制有十分重要的作用。目前人類中鑒定出來的一組包含YTH結(jié)構(gòu)域的識別蛋白主要有YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3、YTHDC1、YTHDC2[16]。另一組m6A識別蛋白有共同的RNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，包括HNRNPC、HNRNPG和hnRNPA2B1，它們可以結(jié)合核轉(zhuǎn)錄本，促進初級miRNA加工，并介導(dǎo)m6A對初級microRNA加工和選擇性剪接[17-19]。另一類識別蛋白，胰島素樣生長因子2mRNA結(jié)合蛋白1-3（IGF2BP1-3），通過識別共有GG（m6A）C序列靶向數(shù)千個mRNA轉(zhuǎn)錄本，促進其靶mRNA的穩(wěn)定性和儲存，因此影響基因表達輸出[20]。

1.3 植物中的m6A組分

在植物中已經(jīng)鑒定出了一些相應(yīng)的m6A組分。以模式植物擬南芥為例，其甲基化酶包括MTA（METTL3人類同源蛋白），MTB（METTL14人類同源蛋白），F(xiàn)IP37（WTAP人類同源蛋白），VIRILIZER（KIAA1429人類同源蛋白）和E3泛素連接酶HAKAI（HAKAI人類同源蛋白），它們主要在植物的胚胎發(fā)育以及營養(yǎng)和生殖發(fā)育過程中起作用，缺少甲基化組分會導(dǎo)致一些生長發(fā)育缺陷[21]。

通過α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶（AlkB）同系物（ALKBH）蛋白可以去除RNA上的甲基化標記[22]。擬南芥已經(jīng)鑒定出的去甲基化組分有ALKBH9B和ALKBH10B，它們分別與病毒感染和植物的開花過程有關(guān)[23-24]。擬南芥中有13個基因編碼ALKBH家族成員，它們都含有一個保守的2-氧戊二酸-Fe（II）-Oxy-2結(jié)構(gòu)域[22]，大多數(shù)ALKBH的功能尚未確定，還有待進一步研究。

擬南芥中已經(jīng)鑒定出的識別蛋白有13種[25]，已經(jīng)過單雙突變體實驗證實ECT2、ECT3、ECT4調(diào)節(jié)植物器官發(fā)生的時間和執(zhí)行，其中ECT2與毛狀體的發(fā)育有關(guān)。根據(jù)該家族的高度保守性，在水稻中鑒定出了12種同源蛋白[25]，目前還未報道其相關(guān)作用。

2 m6A在植物中的功能研究

2.1 甲基化酶

m6A RNA甲基化在擬南芥中研究得相對較多，AtMTA（METTL3的同源物）的T-DNA插入突變體會產(chǎn)生白色的種子，不能正常發(fā)育，表現(xiàn)為胚胎致死，表明AtMTA在擬南芥的胚胎發(fā)育中至關(guān)重要[26]。隨后，Bodi等[27]為了進一步研究AtMTA的功能，通過在胚胎特異性ABI3啟動子的控制下表達MTA以繞過胚胎致死表型，在成熟植株中葉片和花的mRNA上的m6A水平降低了90%以上，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出植株矮化、葉片皺縮、花序變短、頂端優(yōu)勢降低等生長缺陷，表明AtMTA在擬南芥的生長發(fā)育中起著廣泛的作用。

研究表明，AtMTB、AtVIR突變體與AtMTA突變體具有相似的發(fā)育缺陷[21]，都表現(xiàn)出發(fā)育延遲和頂端優(yōu)勢降低，其幼苗還顯示出根系生長減少和異常的重力反應(yīng)，并且都表現(xiàn)出原木質(zhì)部發(fā)育缺陷，與野生型相比，檢測到原木質(zhì)部鏈中斷和倍增的發(fā)生率增加。

另外，AtFIP37（WTAP同系物）的純合突變也會導(dǎo)致胚胎致死，種子無法進一步發(fā)育[25]。同樣地通過ABI3啟動子進行表型拯救后發(fā)現(xiàn)，AtFIP37通過介導(dǎo)擬南芥上WUS和STM這2個轉(zhuǎn)錄本的m6A修飾，調(diào)控擬南芥后期莖尖分生組織的發(fā)育。而AtFIP37的缺失導(dǎo)致WUS和STM這2個基因m6A整體修飾水平大大降低，導(dǎo)致mRNA在莖尖分生組織中過度富集，最終影響其發(fā)育[28]。

在水稻中，OsFIP對于水稻雄性配子形成至關(guān)重要。敲除OsFIP可導(dǎo)致小孢子在花粉液泡期的早期退化，同時導(dǎo)致前期減數(shù)分裂異常。OsFIP直接介導(dǎo)部分 mRNA的m6A甲基化，并且對它們的表達和/或剪接是必需的，進而調(diào)節(jié)孢子發(fā)生的進程[29]。

2.2 去甲基化酶

在擬南芥中，alkbh10b突變體中ALKBH10B的缺失延緩開花并抑制營養(yǎng)生長。Duan等[24]發(fā)現(xiàn)ALKBH10B通過介導(dǎo)花期相關(guān)基因的去甲基化修飾調(diào)控擬南芥成花轉(zhuǎn)變過程，同時通過RNA甲基化測序挖掘到1 000多個基因發(fā)生了差異甲基化修飾，這些基因直接或間接受到了ALKBH10B的影響。另外，擬南芥atALKBH9B積累在細胞質(zhì)顆粒中，其與siRNA共定位并與P小體結(jié)合，表明atALKBH9B m6A去甲基化酶活性可能與mRNA沉默和/或mRNA衰變過程相關(guān)。atALKBH9B的去甲基化活性影響苜?；ㄈ~病毒（AMV）的感染性。

在番茄中，SlALKBH2可以結(jié)合番茄果實成熟所需的DNA去甲基化酶基因SlDML2的轉(zhuǎn)錄本，并通過m6A去甲基化調(diào)節(jié)其穩(wěn)定性，SlALKBH2突變會降低SlDML2 mRNA的豐度并延遲果實成熟[30]。

2.3 識別蛋白

目前對于識別蛋白的相關(guān)報道較少。相關(guān)研究表明，擬南芥中ECT2與毛狀體發(fā)育相關(guān)[31-32]。Scutenaire等[31]研究表明，ect2 m6A閱讀活性的喪失會導(dǎo)致ect2缺失突變體的毛狀體出現(xiàn)分支缺陷。 ECT2定位于細胞質(zhì)，在熱暴露時重新定位到應(yīng)激顆粒，表明它控制細胞質(zhì)中mRNA的命運。 Wei等[32]通過測序分析發(fā)現(xiàn)ECT2結(jié)合位點在靶基因的3’ UTR區(qū)強烈富集，并導(dǎo)致了植物特異性m6A基序，提示ECT2可能與RNA的3’ UTR加工有關(guān)。此外，有研究表明，ECT2通過結(jié)合m6A位點影響PTRE1和20S蛋白酶體亞基的表達從而微調(diào)蛋白酶體活性[33]。另一項研究表明，ECT2/3/4在調(diào)控葉片形態(tài)發(fā)育中起關(guān)鍵作用[34]。ECT2和ECT3單突變不會影響轉(zhuǎn)基因植株的葉片表型。但是當(dāng)ECT2和ECT3同時被突變后，突變植株表現(xiàn)出葉片發(fā)生延遲的現(xiàn)象，而ECT2、ECT3和ECT4三突變植株表現(xiàn)出的葉片發(fā)生延遲的程度比ect2/ect3雙突變植株更嚴重，表明ECT2、ECT3和ECT4在控制發(fā)育時機方面起作用。

3 小結(jié)及展望

m6A甲基化修飾影響植物細胞中RNA穩(wěn)定性、翻譯、二級結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)運，影響植物的胚胎發(fā)育及營養(yǎng)和生殖發(fā)育，也有研究表明m6A甲基化修飾與非生物脅迫相關(guān)[35]。近年來，隨著檢測m6A修飾的技術(shù)進步，例如利用免疫沉淀、化學(xué)標記和定點突變，結(jié)合新一代測序，在探索m6A修飾機制方面取得了重大進展。但仍有一些問題尚未解決：針對生物體中m6A修飾水平遠低于RRACH豐度的問題，甲基化酶復(fù)合體如何選擇靶基序進行甲基化;各甲基化組分之間的具體作用機制;甲基化修飾系統(tǒng)受什么信號調(diào)控整個過程;m6A修飾系統(tǒng)如何根據(jù)植物生長和發(fā)育階段的不同而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控。解決這些問題，對于理解m6A甲基化修飾系統(tǒng)的復(fù)雜調(diào)控機制及其在植物生長發(fā)育過程中的分子作用機理，進而利用m6A甲基化修飾提高植物生產(chǎn)力、提高植物在不利以及有利的環(huán)境條件下的生存和適合性至關(guān)重要。

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