致敬何川教授:RNA表观遗传领域的杰出领导者丨BioArt推荐

BioArt按：2月22日，Nature杂志在《News Feature》一栏专门以“An epigenetics gold rush: new controls for gene expression”为题专门详述了围绕RNA和DNA上新的甲基化修饰所开展的新一轮表观遗传“淘金热”，而在推动这一领域发展过程中的灵魂人物当属芝加哥大学化学系、生物物理动态研究所何川教授。另外，这一期Nature杂志还在推出了另一篇题为“The RNA code comes into focus”的文章中也大篇幅的描述了何川老师等人在相关领域的贡献。鉴于何川老师以化学家的身份在生命科学领域做了一系列开创性的工作，以及BioArt此前多次对何川课题组有关工作的报道，笔者参考了包括这两篇Nature报道在内的多篇文章，系统的描述了有关RNA和DNA上的新的甲基化修饰被发现或被重新发现的重要历程。错误和疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正！

撰文丨丁广进

化学专业出身的何川教授被生物圈的同行所熟知可能要从他们组最先发现FTO蛋白具有RNA去甲基化酶功能说起。Nature上的《An epigenetics gold rush: new controls for gene expression》文章所讲述的故事是从2008年开始的，不过故事不是从FTO开始而是从何川开始和同在芝加哥大学分子生物学背景出身的潘滔合作讲起的。2008年以前，何老师课题组除了做一部分很专业的化学相关的工作（PS: 咱也不懂）之外也有一部分研究是紧密围绕生物学相关的研究展开的，特别是与DNA损伤修复相关的研究，有一篇代表性的是工作首次解析了AlkB-dsDNA和ABH2-dsDNA复合体的晶体结构，从而解释了参与DNA损伤修复的烷基化酶AlkB识别损伤后的DNA的分子机理，这一工作发表在Nature上，杨财广伊成器（现任北大生科院研究员）为该文的共同第一作者。（Yang, C. G., Yi, C., Duguid, E. M., Sullivan, C. T., Jian, X., Rice, P. A., & He, C. (2008). Crystal structures of DNA/RNA repair enzymes AlkB and ABH2 bound to dsDNA. Nature）

由于下文主要围绕RNA去甲基化修饰（主要是N6-甲基腺嘌呤，简称为m6A）展开，这里简要的介绍有关背景。据2010年《核酸研究》杂志上发表的一份“RNA修饰数据库”（The RNA modification database，http://mods.rna.albany.edu/mods/）记录显示，RNA上有着非常多种类（>100）的化学修饰（下图），在这些化学修饰中甲基化是一种研究的比较多而且比较广泛分布的修饰。

目前，已知可以被甲基化修饰RNA主要有：mRNA、rRNA、tRNA、snRNA和snoRNA等，其中mRNA上修饰丰度最高的m6A是目前研究的最多也是最深入的。事实上，早在1974年一篇PNAS论文中就报道了哺乳动物细胞中的mRNA中就存在m6A修饰，稍晚些时候Cell也有类似的报道出现。（Desrosiers, R., Friderici, K., & Rottman, F. (1974). Identification of methylated nucleosides in messenger RNA from Novikoff hepatoma cells.PNAS；Wei, C. M., Gershowitz, A., & Moss, B. (1975). Methylated nucleotides block 5′ terminus of HeLa cell messenger RNA. Cell）然而这个领域真正的受重视那要等到2011年何川课题组率先通过体内实验证明肥胖基因FTO具有RNA去甲基化酶功能开始。

FTO是一个此前报道过的与肥胖相关的基因，2007年三篇分别发表在Science、Nature Genetics和Plos Genetics上的文章同时表明了FTO基因变异与肥胖的产生具有直接的关联性（Frayling, T. M., ... & Shields, B. (2007). A common variant in the FTO gene is associated with body mass index and predisposes to childhood and adult obesity. Science；Dina, C., Meyre, D., ., ... & Delplanque, J. (2007). Variation in FTO contributes to childhood obesity and severe adult obesity. Nature genetics；Scuteri, A., Sanna, S., Chen, W. M., ... & Dei, M. (2007). Genome-wide association scan shows genetic variants in the FTO gene are associated with obesity-related traits. PLoS Genet）。此外，2007年稍晚些时候，另一篇Science报道了体外实验中FTO能够催化2-氧戊二酸依赖的单链DNA甲基化（见下图），该文在讨论部分还暗示了FTO可能会参与RNA的去甲基化。

回到2008年何老师发表的第一篇有关RNA甲基化修饰论文（下图）。何老师的这篇文章事实上是第一次通过体外实验证明了FTO能氧化单链RNA上的甲基化修饰（RNA的去甲基化过程），并提出相较于DNA，甲基化的RNAs更倾向于是FTO的底物。值得注意的是，不管当下RNA甲基化修饰有多么火热，这篇文章可算作是这个领域的拓荒之作。你没看错，这个工作发表在FEBS Letter（2015 IF: 3.519）杂志上（论文第一作者贾桂芳博士现任北大合成与功能生物分子中心副研究员），但是不能小觑，君不见2016年诺奖得主大隅良典教授有关自噬基因最初筛选的工作也是发表在这个杂志上。

开个玩笑，若是哪天何川教授获得斯德哥尔摩的肯定，这篇FEBS Letter可能功劳不小。不过这篇文章大家不怎么引用，普遍觉得当时这个只是一个纯体外的工作，只是证明了在体外FTO可以去除单链DNA或RNA上的3mT和3mU，等于说这只是一个比较artificial的现象，而且因为其丰度很低、且活性较低，和后来2011年在体内正式报道FTO能去除mRNA 中的m6A的意义根本不可同日而语吧。所以更多的人包括何川教授等人在内更认可2011的工作才是RNA甲基化修饰领域的重要开篇之作。

2010年，何川教授还应邀在Nat. Chem. Bio杂志上首次提出了“RNA表观遗遗传学”这一新的概念。然而这个时候DNA去甲基化酶TET已经被鉴定出来了，但是5hmC在全基因组水平的分布是怎样的如何测定还是个难题。这个时期，何川课题组在全球范围内首次建立了测定全基因组5hmC的方法学，并迅速在学术界运用推广，也发表了相关的Cell文章，而且在DNA去甲基化机制上也做出了相当漂亮的工作。与此同时，有关RNA甲基化的去甲基化研究工作也正在火热展开，何川研究组继续在这个领域深挖，从而鉴定到了一系列有关m6A RNA甲基化的催化酶，去甲基化酶和识别蛋白等，并发现了相关蛋白的系列生物学功能，这些文章也大都是发表在Nature、Nature子刊和Cell系列杂志上。2015年，何川课题组还在藻类中发现了DNA上一中心的甲基化修饰形式m6A。2016年2月何川教授和以色列Gideon Rechavi教授的合作研究在Nature杂志同时报道了真核细胞中m1A修饰的谱图，并进一步发现m1A修饰能够促进蛋白质的翻译过程，这些发现扩展了mRNA中的修饰种类，为“RNA表观遗传学”领域提供了崭新的研究方向。2016年10月，Cell杂志在线发表了何川课题组和Tao Pan课题组合作的文章，该篇文章主要报道了ALKBH1介导的tRNA去甲基化从而调控翻（详见BioArt此前的报道：芝加哥大学何川教授在Cell发表tRNA去甲基化重要成果）。2016年12月，何川和同在芝大的陈建军共同在Cancer Cell报道肥胖基因FTO过表达导致白血病（详见BioArt此前的报道：何川组Cancer Cell报道肥胖基因FTO过表达导致白血病）。

前文已经提到了，1974年的PNAS论文中就报道了哺乳动物细胞中的mRNA中就存在m6A修饰，并提出这一修饰有可能选择性的影响某些基因RNA翻译成蛋白质的过程。然而尽管30多年过去了，学术界也还没有找到合适的方法去研究这种修饰及其功能。就在这个时候，何川实验室根据已有的信心开始把注意力集中在了肥胖基因FTO上。FTO是AlkB家族在人体中的第九个同源蛋白；当时AlkB家族的几个成员已经被确定为核酸去甲基化酶（核酸修复蛋白，去除异常的甲基化）。事实上AlkB家族去甲基化酶的发现也启发了组蛋白去甲基化酶JHDM1A的发现（下图）。

当时课题组的相关实验在体内和体外同时展开，何川实验室化学生物学的特长使得他们很快地合成出了多种甲基化的核酸底物，因此体外生化实验很快地完成，并且2008年他们率先在FEBS Letter杂志上报道了体外实验结果。不过Nature这次所报道的文章并没有提及体外实验室的相关工作，而是把目光直接聚焦在2011的Nat Chem Bio文章的共同第一作者，何川实验室的博后贾桂芳和付晔（目前在哈佛大学庄小威实验室利用超分辨率显微镜研究细胞中RNA修饰的动态变化）两位博士身上。

据Nature的描述，贾和付刚开始在体内寻找FTO的真正底物的时候并不顺利，大约3年都没有太多进展。直到2010年，课题终于有了转机，他们系统性地检测了FTO对于一些列甲基化修饰的催化活性，并发现FTO具有催化m6A去除甲基化的活性，于是就有了2011年这篇被许多人认为是RNA去甲基化领域划时代之作的经典工作（下图），这也验证了何川在2010年提出“RNA表观遗传学”概念的那篇短文中推测的RNA甲基化修饰在体内可能是可逆的想法（He, C. (2010). Grand challenge commentary: RNA epigenetics?. Nature chemical biology）。

此后，有关m6A的重要文章接踵而至，比较有代表性的是2012年一篇Cell和一篇Nature几乎同一时期独立报道了全机组水平范围内m6A在mRNA上的分布（Meyer, K. D. et al. Cell 149, 1635–1646 (2012).；Dominissini, D. et al. Nature 485, 201–206 (2012).）。再后来围绕催化m6A的酶为METTL3/METTL14/WTAP、去甲基化酶为ALKBH5和FTO以及结合蛋白（Reader）YTHDF家族成员的相关研究陆续出来，那么这个时候整个m6A的研究理论体系就初步建立起来了，再后来就是围着上述蛋白开展相关功能研究了。此外，除了从2008年前后就和何川展开合作的潘滔在上述提及的领域做出过许多重要的贡献之外，杨运桂研究员也做出了许多重要贡献（2013年与何川合作在Molecular Cell报道了ALKBH5是哺乳动物中的一种RNA去甲基化酶，并且能够影响RNA代谢和小鼠的育性；2014年在Cell Research报道了WTAP是催化m6A甲基化酶体系中的一个重要组成部分；2014年还是在Cell Research报道了FTO介导的m6A去甲基化能够调控mRNA剪接并且是脂肪生成所必须的；2015年和周琪院士、王秀杰研究员合作在Cell Stem Cell发表封面文章报道m6A RNA的甲基化受microRNA的调节并且促进干细胞重编程；2016年在Molecular Cell报道了m6A的识别蛋白YTHDC1能够调控RNA剪接；2017年1月与何川组背靠背在Cell Res报道了RNA m6A甲基化修饰的识别蛋白YTHDF3能够促进mRNA的翻译，包括作为重要的合作者也在2011年的Nat Chem Bio文章中有所体现。）

当然我们也不能忽视，这个领域的另一位重要人物，美国康奈尔大学的 Samie Jaffrey教授，今年年初该课题组在Nature上还报道了RNA 5’端帽m6Am调控mRNA稳定性的研究。另外值得提及的是，2月13号，何川课题组在Nature发文报道了m6A依赖的RNA降解在斑马鱼的母体-合子过渡（maternal-to-zygotic transition）发生过程中是一种调节母源mRNA清除的新机制，充分凸显了mRNA的m6A甲基化修饰在转录组转换和发育中的重要作用（详见BioArt此前的报道：何川团队Nature发布m6A最新成果）。

有关RNA甲基化修饰的调控上述部分讲的也不少了，让我们把目光转移到DNA上。对于DNA甲基化，相信大家都比较熟悉，但是相较于RNA来说，DNA上的修饰种类少的可怜。做多了RNA上的m6A修饰的何川实验是很容易想到DNA是否存在N6-methyladenosine修饰的（DNA上的该修饰用6mA简称以区别于RNA上的m6A）。

Nature文章写道，2013年何川的博后付晔看到了一篇1978年发表在J Bacteriol杂志上的文章，该文报道了海藻中的DNA上有6mA修饰，后续也几乎没有人跟进研究。于是乎，付和实验室另一位博后Guan-Zheng Luo一同开始分析海藻中DNA上6mA的分布，分析后发现这些修饰似乎与基因的转录激活相关。与此同时，哈佛大学施扬教授课题组有一位博后正在开展线虫的育性与跨带遗传的相关研究，这位博后猜测这种跨代遗传可能与DNA上常见的甲基化修饰5mC有关，然而，用特异性抗体并没有检测到线虫DNA上有5mC存在，但是有意思的是却发现了6mA修饰。尽管在线虫的DNA上检测到了6mA，但是这种修饰的丰度是很低的，研究起来比较困难，此时他们已经知道何川实验室解开了海藻中6mA的分布情况，鉴于何川组在这方面的优势，于是寻求与何川组合作。

当何川得知施扬组在线虫中发现了6mA也显得很兴奋，于是一拍即合开始合作，巧合的在这之后不久，陈大华，并得知陈的课题组在果蝇中也发现了6mA修饰。于是没过多久，2015年5月7日，Cell发表三个课题组的三篇文章，分别在线虫、藻类和果蝇中报道了一类DNA上存在的新的甲基化修饰6mA及其功能（下图），同期Cell还发表了相关评论文章介绍，并将这三篇文章的story选为封面文章（下图）。

而当来自耶鲁大学Andrew Xiao在阅读到上述文章时比较惊讶，原以为这个领域可能没有其它课题组在关注，而此时他们已经在哺乳动物中细胞中发现了6mA，接下来当然是要加快实验进度了，终于2016年4月， Andrew Xiao实验室发表在Nature上的文章报道在小鼠胚胎干细胞中发现了DNA上的6mA修饰，并推测这些修饰与基因的表达相关（下图）。

2016年10月，何川、陈大华等合作在Nature communication还报道了在斑马鱼和猪胚胎早期发育中m6A DNA丰度较高（6mA/A up to B0.1–0.2%）。以上5篇文章分别在不同的物种中鉴定到了6mA DNA修饰，并解释了这种修饰可能存在作用，这些工作为日后研究DNA上新的修饰打开的一扇窗户。

......

何川老师当然还有许多很优秀的工作值得介绍，这里限于篇幅和本人学识就无法一一列举了。依笔者愚见，何老师在华人生命科学圈内是少有的能做出开创性贡献的学者，从基础理论研究到方法学的建立再到将来可预见的应用（详见BioArt的相关报道：化学生物学助力新药研究模式转变）都深深的留下何老师印迹。再者，生命科学领域许多创造性的研究非常需要交叉学科背景的复合型人才，哈佛大学庄小威教授和谢晓亮教授都是杰出的代表。

最后，再一次向HHMI研究员、敬芝加哥大学化学系何川教授致敬！

（后记：本文2月23号当天就初步完成了，压了半月差点都忘了，如今发布出来也算圆满了。不过，本文还存在许多不足之处，由于今日状态已不复再，只好求教于方家了！）

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