易基因：METTL3介导的m6A甲基化谱调控肌肉干细胞成肌细胞状态转换｜发育分化

Posted 2023-04-12 E-GENE

2020年9月29日，《Cell Death Discovery》（IF: 7.109）杂志发表了题为“A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions”的研究论文，研究通过MeRIP-seq（m6A-seq）等实验鉴定了通过Mettl3在mRNA上的m6A沉积是否是体外和体内肌肉特异性成体干细胞（MuSC）/成肌细胞状态的调控因子。

标题：A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions（METTL3介导的m6A甲基化谱调控肌肉干细胞成肌细胞状态转换）

时间：2020.9.29

期刊：Cell Death Discovery

影响因子：IF 7.109

技术平台：MeRIP-seq、RNA-seq、m6A液相色谱/质谱（LC-MS）、RT-PCR等

 

项目设计

（1）样本选取：

Cg-Pax7 tm1（Cre / ERT2）Gaka / J小鼠（JAX：017763）与B6N.129S6-Gt（ROSA）26Sor tm1（CAG-tdTomato *，-EGFP）/ Ees / J小鼠杂交（ JAX：005304）产生小树：Pax7 CreERT2；Rosa26 nTnG（以下称为Pax7 nTnG）。Pax7 nTnG小鼠用于所有肌肉损伤实验。普遍表达荧光素酶的小鼠FVB-TG（CAG-luc, -GFP）L2G85Chco / J（JAX：008450, CMV-luc小鼠）被用于分离供体细胞进行移植实验并被移植到免疫缺陷的NSG小鼠中（NOD. Cg-Prkdc scid Il2rg tm1Wjl / SzJ，JAX：005557）。

 

（2）项目设计流程图：

 

研究目的

肌肉特异性成体干细胞(MuSCs)为骨骼肌再生所必需。为确保损伤后骨骼肌的有效再生，MuSCs必须经历从静止状态被激活的状态转换，从而产生大量增殖的成肌细胞，并继续进行终末分化，修复或替换受损的肌纤维，或者自我更新以重新填充静止的细胞群。MUSC/成肌细胞状态的变化伴随着其转录谱的显著动态变化。此前研究已报道鉴定了成体干细胞系统中由m6A writers METTL3介导最丰富的内部mRNA修饰N6-甲基腺苷(m6A)发生了变化，并通过改变这些细胞的转录谱来调控细胞状态转换。本研究目的是确定通过METTL3的m6A修饰沉积是否在体外和体内对MUSC/成肌细胞状态转换起调节作用。研究使用液相色谱/质谱（LC-MS）分析表明在体内骨骼肌再生的早期阶段，整体m6A水平增加；在体外C2C12成肌细胞从增殖状态转变为分化状态时，整体m6A水平下降。使用m6A特异性RNA测序（MeRIP-seq）鉴定了m6A修饰的不同图谱，区分了增殖状态和分化状态的C2C12成肌细胞。RNAi研究表明，降低m6A甲基转移酶METTL3的活性水平可以降低整体m6A水平，并促进C2C12成肌细胞过早分化。在移植前降低原代小鼠MuSC中的METTL3水平可以增强了其在原代移植时的植入能力，但其连续移植能力缺失。总之，本研究证明了METTL3可以调控MuSCs/成肌细胞中的m6A水平，并调控MuSCs/成肌细胞向不同细胞状态的转变。此外本研究为增殖和分化C2C12成肌细胞中的m6A修饰提供了第一个转录组图谱，并揭示了可能调控MuSC/成肌细胞状态转换的新的基因。

 

实验结果

（1）在MuSC从增殖到分化过程中，整体m6A水平下降

图1：m6A修饰在再生骨骼肌和C2C12成肌细胞中受动态调控

 

（2）MeRIP-seq揭示了转录本特异性m6A修饰丰度的动态变化，但未揭示转录本上m6A修饰位点的频率变化

为了绘制由m6A标记的转录组在成肌细胞从增殖转换到分化时的动态变化，研究在GM和3d DM样品中进行了MeRIP-seq。MeRIP-seq证实了LC–MS数据，并揭示了在GM（相对于3d DM）样品中m6A修饰的转录本富集。在GM和3d DM样本中，m6A在转录本上的分布相似，最富集在编码序列和3′区域的边界区域。因此可以得出结论，m6A富集的整体和转录本特异性程序与维持成肌细胞在增殖状态有关，并且这种作用并非受转录本上m6A修饰位点差异驱动。

 

（3）单个转录本水平上的增殖特异性m6A谱的表征

MeRIP-seq分析显示1607 个m6A peaks代表862个富含GM的特异性基因；通过倍数变化> 1.0（GM / 3d DM）确定RNA-seq数据集中转录本表达的增加。MeRIP-seq和RNA-seq数据集之间受影响的分子功能通路的不完全重叠分析表明，GM期间m6A修饰的某些功能结果超出了增强的转录本稳定性和/或衰减。

图2：MeRIP-seq分析将转录调控鉴定为C2C12成肌细胞增殖过程中m6A修饰的主要靶点

 

（4）个体转录水平上分化特异性m6A谱的表征

3d DM MeRIP-seq数据集中富集了m6A的转录本进行了重复分析，鉴定出573 个m6A peaks与340个特异性基因相关，这些基因在3d DM与GM样品中显著富集。PANTHER GO-slim分子功能通路分析显示，与转录调控相关的分子功能通路比GM数据集中的更少。3d DM富集的最主要通路是微管结合（icrotubule binding）。与GM不同的是，MeRIP-seq数据集中鉴定的所有分子功能通路都包含RNA-seq数据集，这表明与GM相比，3d DM中与m6A修饰和转录丰度相关性更强。

图3：MeRIP-seq分析将微管结合鉴定为C2C12成肌细胞分化过程中m6A修饰的主要靶标

 

（5） Mettl3调控成肌细胞从增殖到分化的过渡

假设由于活性m6A writers Mettl3表达增加，m6A水平在GM样品中富集。为了模拟再生过程中的MuSC活性，培养C2C12成肌细胞和原代小鼠成肌细胞，然后通过血清限制促使其在体外分化；分化开始后，C2C12成肌细胞（图4a）和原代小鼠成肌细胞（图4b）中的Mettl3表达水平显著下降。

为确定单独m6A修饰沉积是否足以启动分化，用靶向Mettl3的siRNA处理C2C12成肌细胞，其成功地降低m6A修饰，而Mettl3敲低会减少细胞计数。还评估了Mettl3敲低对与增殖（Pax7）、早期分化（Myod1）和晚期分化（Myog）相关的MRF影响。Mettl3敲低后Myod1和Myog的基因表达显著增加，且显著增加表达eMHC的C2C12成肌细胞数量（eMHC是终末分化标志物），这些数据支持一种模型，在该模型中，增殖的C2C12成肌细胞中的Mettl3敲低可降低m6A修饰的整体水平并导致成肌细胞的过早分化。

图4：Mettl3敲低促进成肌细胞过早分化

 

（6）Mettl3基因敲低影响原发性MuSC植入

当在移植前将Mettl3敲低时，移植的MuSC植入和生物发光表达的可能性得到改善。

图5：Mettl3敲低增强了初次移植后的MuSC植入

 

关于易基因RNA m6A甲基化测序(MeRIP-seq)技术

易基因MeRIP-seq技术利用m6A特异性抗体富集发生m6A修饰的RNA片段（包括mRNA、lncRNA等rRNA去除所有RNA），结合高通量测序，可以对RNA上的m6A修饰进行定位与定量，总RNA起始量可降低至10μg，最低仅需1μg总RNA。广泛应用于组织发育、干细胞自我更新和分化、热休克或DNA损伤应答、癌症发生与发展、药物应答等研究领域；可应用于动物、植物、细胞及组织的m6A检测。

大样本量m6A-QTL性状关联分析，传统MeRIP单个样品价格高，通常难以承担。易基因开发建立MeRIP-seq2技术，显著提成IP平行性，实现不同样本间相对定量，降低检测成本。

 

易基因提供适用于不同科研需求的MeRIP技术：

• m6A甲基化-常量mRNA 甲基化测序（MeRIP-seq）
• m6A甲基化-常量mRNA +lncRNA甲基化测序（lnc-MeRIP-seq）
• m6A甲基化-微量mRNA +lncRNA甲基化测序（Micro-lnc-MeRIP-seq）
• 高通量m6A甲基化-常量mRNA甲基化测序（MeRIP-seq2）

技术优势：

• 起始量低：样本起始量可降低至10-20μg，最低仅需1μg总RNA；
• 转录组范围内：可以同时检测mRNA和lncRNA；
• 样本要求：可用于动物、植物、细胞及组织的m6A检测；
• 重复性高：IP富集重复性高，最大化降低抗体富集偏差；
• 应用范围广：广泛应用于组织发育、干细胞自我更新和分化、热休克或DNA损伤应答、癌症的发生与发展、药物应答等研究领域。

 

研究方向：

m6A甲基化目前主要运用在分子机制的理论性研究

• 疾病发生发展：肿瘤、代谢疾病（如肥胖/糖尿病）、神经和精神疾病（如阿尔兹海默症/抑郁症）、炎症…
• 发育和分化：早期胚胎发育、个体/组织/器官生长发育、干细胞分化与命运决定、衰老
• 环境暴露与响应：污染、抗逆、生活方式

关于m6A甲基化研究思路

（1）整体把握m6A甲基化图谱特征：m6A peak数量变化、m6A修饰基因数量变化、单个基因m6A peak数量分析、m6A peak在基因元件上的分布、m6A peak的motif分析、m6A peak修饰基因的功能分析

（2）筛选具体差异m6A peak和基因：差异m6A peak鉴定、非时序数据的分析策略、时序数据的分析策略、差异m6A修饰基因的功能分析、差异m6A修饰基因的PPI分析、候选基因的m6A修饰可视化展示

（3）m6A甲基化组学&转录组学关联分析：Meta genes整体关联、DMG-DEG对应关联、m6A修饰目标基因的筛选策略

（4）进一步验证或后期试验

易基因科技提供全面的RNA甲基化研究整体解决方案。

参考文献：

Gheller BJ, Blum JE, Fong EHH, Malysheva OV, Cosgrove BD, Thalacker-Mercer AE. A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions. Cell Death Discov. 2020;6(1):95.

 

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大家好，这里是专注表观组学十余年，领跑多组学科研服务的易基因。

近年来，m6A RNA甲基化作为国家自然科学基金表观遗传学研究的热门领域，相关研究成果层出不穷，高分文章不断。研究方向包括疾病发生发展、发育和分化、环境暴露与响应等。

研究人员为m6A甲基化课题申请作准备以及为降低m6A甲基化实验风险，通常会进行m6A甲基化研究的前期探索性实验，主要包括：

• 检测m6A writers、readers、erasers的表达
• 检测整体m6A甲基化水平变化
• m6A writers、readers、erasers基因干扰/敲除/过表达
• 其他前期实验

 

一、检测m6A writers、readers、erasers的表达

方法包括：

• RT-qPCR检测其mRNA表达
• Western blot检测蛋白质翻译

e.g. 小鼠脑损伤前后观察到METTL14和FTO的RNA表达显著变化

 

 

二、检测整体m6A甲基化水平变化

方法包括：

• m6A甲基化免疫荧光染色（定性）
• m6A斑点杂交（定性）
• 质谱法（定量）
• 比色法（定量）

 

三、m6A writers、readers、erasers基因干扰/敲除/过表达

方法包括：

• 检测处理后潜在m6A修饰基因的蛋白表达
• 检测处理后所研究的表型和功能变化

e.g. 为了研究m6A修饰在抗病毒感染响应中的作用，发现siMETTL3/14处理会造成抗病毒相关基因的蛋白质翻译水平下调，METTL3/14过表达又造成相关基因蛋白质水平上调。

 

 

四、其他前期实验

在没有条件开展甲基化相关前期实验的情况下，也可以开展其他预实验。如：

• 关键表型指标测定
• 转录组（成本低廉）—— 基于m6A可调节转录本的成熟、降解、稳定性

在进行前期探索性预实验后，m6A RNA甲基化的研究思路与项目设计还包括：技术选择、数据挖掘、下游验证。

• 技术选择：
• m6A甲基化检测技术有哪些？
• 如何根据现有的实验条件选择最合适的技术开始课题研究？

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• 数据挖掘：
• 理解每一步数据分析的目的和依据
• 如何筛选m6A调控的目标基因

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• 下游验证：
• 如何开展m6A调控目的基因表达的验证实验
• 高分突破：打通机制研究思路

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以上就是关于m6A RNA甲基化研究的前期探索性实验及研究思路分享。

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