薛宪词（2018级博士）：Nature|METTL3在小鼠的胚胎干细胞中调控异染色质

 

20210207

 

摘要

本文由复旦大学生物医学研究院的沈宏杰青年研究员和牛津大学Ludwig肿瘤研究所Yang Shi教授合作发表。该研究主要对METTL3调控小鼠胚胎干细胞的异染色质机制进行了研究，结果表明METTL3通过调控内源性逆转录病毒IAPEz亚群上的异染色质完整性，进而抑制IAPEz元件的转录。该研究为哺乳动物异染色质的调控机制提供了新的认识。

 

研究背景

1.1 METTL3

mRNA上的m⁶A修饰会影响mRNA的稳定性和其翻译成蛋白质的进程，m⁶A主要受METTL3催化，以往的研究主要集中在METTL3对于细胞质中的mRNA的调控。尽管已有报道表明METTL3可与染色质结合，但是METTL3和m⁶A甲基化在染色质中的作用仍不清楚。

1.2内源性逆转录病毒元件（ERVs）

该元件是基因组转座子元件之一，在小鼠的基因组中约占10%。内源性转录组病毒元件会四处移动造成遗传突变，为阻止该有害突变，细胞进化出了相应的表观遗传修饰来抑制这些转座子的活性。目前小鼠中已知的可抑制ERV活性的有H3K9me3和H4K20me3，是否还有更多的表观遗传修饰抑制ERV的研究相对较少。

结果与讨论

为了了解METTL3在调节小鼠胚胎干（mES）细胞染色质中的功能和作用机理，作者团队首先研究了METTL3在染色质上的定位。结果显示（如下图）其与H3K9me3和H4K20me3呈明显的正相关。

进一步的分析显示（如下图）METTL3结合事件主要集中在内源性逆转录病毒IAP元件上，特别是IAPEz亚型。

为了确认METTL3对IAP元件的功能重要性，研究者团队构建了METTL3敲除细胞，并结合转录组数据进行探究，研究表明（如下图）METTL3介导的IAPEz-int抑制可能发生在染色质水平，并且METTL3的丧失损害了异染色质的完整性。

那么METTL3具体是如何调节IAPEz-int的呢？研究者首先比较了亲本与METTL3敲除细胞。正如预期，在Mettl3 KO细胞中消除了IAPEz-int上METTL3的富集，并通过重新引入METTL3^WT恢复了该功能。出乎意料的是，METTL3^APPA未能定位到这些重复元件，也就是说METTL3与染色质的缔合可能取决于其自身的催化活性。

此外，研究发现METTL3与调控H3K9me3的SETDB1和TRIM28共同免疫沉淀。此结果意味着METTL3可能通过调节SETDB1和TRIM28影响IAPEz-int元件。为验证这一假设，研究者对SETDB1和TRIM28进行了测序比较，结果表明METTTL3可能通过物理相互作用促进SETDB1和TRIM28的IAP定位，从而调节染色质上的H3K9me3。相比之下，似乎METTL3的催化活性仅对于METTL3结合到染色质上是必需的，而H3K9me3甲基转移酶则不是必需的。

接下来，研究者使用染色质总RNA进行甲基化RNA免疫沉淀（MeRIP），以检测IAPEz转录本上的m⁶A。结果显示IAP转录本上依赖METTL3的m⁶A在其5'端而非3'端。为了排除由MeRIP实验中使用的m⁶A抗体引起的潜在偏好，研究者使用SELECT验证了IAPEz-int共有序列5'末端5个腺苷位点。进一步明确了可能发生 m⁶A的位点

通过筛选潜在的m⁶A识别子蛋白，研究者发现YTHDC1也结合在IAPEz转座元件上，并且该基因对小鼠的胚胎干细胞生长起关键作用。为了进一步研究YTHDC1与IAPEz的结合是否需要m⁶A识别，研究者构建了三个细胞系，研究结果表明（如下图），YTHDC1在染色质上的富集水平依赖于METTL3和METTL3的酶活，这意味着YTHDC1结合染色质是依赖于m⁶A修饰。同时METTL3和YTHDC1可以相互作用，并且不依赖与METTL3的酶活。

研究者还在文章中探讨了裂殖酵母和哺乳细胞中YTH蛋白对调控异染色质的异同，以进一步揭示哺乳动物中调控异染色质的机制，结果显示裂殖酵母细胞并非是采用哺乳细胞中识别m⁶A修饰的方式，而是识别RNA上的DSR序列参与异染色质形成。

 

总结

本文确定了METTL3可以结合小鼠胚胎干细胞ERV中的IAPEz转座子元件，并维持其异染色质状态，其结合染色质依赖其m6A催化活性，揭示了哺乳动物中异染色质的调控机制，并为表观遗传修饰抑制ERV提供了新的视野。

 

原文链接:

Nature.com/articles/s41586-021-03210-1