专家点评Nat Aging | 刘光慧/慈维敏/张维绮/曲静揭示调控灵长类器官衰老的表观转录组机制
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关键词：
Nat器官揭示
资讯来源：BioArt + 订阅账号
发布时间：
2023-04-07
点评 | 伊成器（北京大学生命科学学院）、刘宝华（深圳大学）
m6A是目前已知的真核细胞mRNA上最为常见的一类化学修饰，它的建立、读取和擦除分别受到相应甲基化酶
（writer）
、结合蛋白
（reader）
以及去甲基化酶
（eraser）
的动态可逆调控。研究表明，m6A能够通过调节mRNA的剪接、出核、稳定性以及翻译等生命周期活动，参与调控机体的诸多生理或病理进程，包括胚胎发育、肿瘤以及神经退行性疾病的发生等。然而，在生理性衰老过程中，m6A对于器官稳态维持的调控作用以及关键分子机制均有待阐明。
2023年4月6日，中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组联合中国科学院北京基因组研究所慈维敏研究组以及张维绮研究组在Nature Aging杂志在线发表了题为
m6A epitranscriptomic regulation of tissue homeostasis during primate aging
的研究论文。该研究利用非人灵长类动物
（食蟹猴）
生理性衰老的多器官研究模型，同时结合基于基因编辑和人类干细胞定向分化的研究体系，
通过系统绘制器官和细胞衰老过程中RNA m6A修饰的动态图谱，解析了RNA甲基化修饰及相关基因表达稳态的变化规律，并深入阐释了METTL3–m6A–NPNT通路调控骨骼肌衰老的新型机制。
在这项工作中，研究人员通过对年轻和年老食蟹猴的肝脏、骨骼肌和心脏进行系统的组织学分析发现，脂肪蓄积增加、炎症因子上调以及核纤层蛋白Lamin B1下调是三种组织衰老的共性特征；此外还发现骨骼肌中的凋亡细胞增加、肌纤维萎缩、以及心脏中的心肌纤维肥大等组织特异的衰老相关退行性变化。随后，通过联合分析三种组织的m6A表观修饰图谱及相应的转录组图谱，研究人员揭示了m6A修饰和基因表达稳态之间的相关性以及不同组织共性和特性的衰老调控规律。相较于肝脏和心脏，研究人员在骨骼肌中特异性地检测到了整体m6A修饰的减少以及核心甲基化酶METTL3表达水平的降低。进而通过CRIPSR/Cas9技术，研究人员建立了由人类胚胎干细胞衍生的METTL3敲除的肌管细胞，发现METTL3的缺失导致肌管细胞发生萎缩、凋亡以及加速衰老等退行性变化，与衰老骨骼肌的表型一致。进一步的机制研究揭示了NPNT作为METTL3的下游效应因子发挥维持骨骼肌细胞稳态的作用，而慢病毒载体介导的METTL3或NPNT回补表达均能一定程度上延缓人类肌管细胞的衰老。最后，通过METTL3酶活抑制剂处理以及METTL3酶活突变体过表达等相关实验，研究人员证实了METTL3通过m6A催化活性依赖的方式促进NPNT的表达以及维持肌管细胞的稳态，并且发现m6A结合蛋白IGF2BP1可以结合并稳定受到m6A修饰的NPNT mRNA。
图1：METTL3-m6A-NPNT通路调控灵长类骨骼肌衰老
综上所述，该研究系统揭示了三种重要的灵长类器官/组织在生理性衰老过程中的动态m6A修饰变化及其与基因表达稳态的关系，并且深入阐明了METTL3–m6A–NPNT通路维持人类骨骼肌稳态的作用和机制。
研究深化了人们对RNA m6A修饰参与维持人类器官功能稳态的认识以及对衰老的表观转录调控机理的理解，为研究骨骼肌衰老提供了一个有效整合灵长类器官模型和人类干细胞衍生物体系的系统性平台，同时也为延缓骨骼肌衰老或防治与年龄相关的骨骼肌退行疾病（如肌少症）提供了潜在的分子靶标和干预策略。
图2. METTL3通过RNA m6A修饰调控衰老
该工作由中国科学院动物研究所、中国科学院北京基因组研究所
（国家生物信息中心）
、中国科学院干细胞与再生医学创新研究院、首都医科大学宣武医院等多家机构合作完成。中国科学院动物研究所刘光慧研究员、中国科学院北京基因组研究所慈维敏研究员和张维绮研究员、以及中国科学院动物研究所曲静研究员为文章的共同通讯作者。中国科学院动物研究所特别研究助理武泽明、中国科学院北京基因组研究所博士研究生路明明、中国科学院动物研究所硕士研究生刘迪、中国科学院北京基因组研究所史悦副研究员、任捷研究员以及首都医科大学宣武医院王思研究员为文章的并列第一作者。该研究同时得到了中国科学院北京基因组研究所杨运桂研究员、肖景发研究员以及中国科学院动物研究所魏妥研究员的合作与支持。
N6-甲基腺嘌呤 (N6-methyladenosine, m6A) 是高等生物mRNA中最为普遍的甲基化修饰，并于今年获得了“沃尔夫化学奖”的认可。由于其参与了多种生理生化过程的调控，探究m6A修饰的特异性调控机制对于理解其生物学功能具有重要意义。然而，m6A修饰在调控组织内稳态和生理性衰老方面的调控作用尚不清晰。
中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组联合中国科学院北京基因组研究所慈维敏研究组以及张维绮研究组在本研究中深入探究了m6A修饰在调控灵长类组织衰老中的关键作用。本研究首先描述了来自年轻和年老食蟹猴的肝脏、骨骼肌和心脏中m6A修饰的动态图谱，并通过进一步的分析发现，相比于肝脏和心脏，骨骼肌在衰老的过程中，更容易发生整体m6A修饰的减少和“writer”蛋白METTL3表达水平的降低。在基于人多能干细胞来源的肌管细胞模型中，研究人员发现METTL3的敲除能够加剧肌管细胞的凋亡和衰老。非常有意思的是，他们发现，METTL3能够以m6A依赖的方式帮助维持骨骼肌的稳态，并且这种对骨骼肌稳态的保护作用是基于 “reader”蛋白IGF2BP1对NPNT mRNA上m6A的识别进而促进其mRNA的稳定性实现的。同样，抑制METTL3的酶活也可以抑制NPNT的表达进而加速肌管细胞衰老。这一新发现拓展了m6A修饰在调控骨骼肌衰老的研究维度，揭示了m6A修饰在衰老相关进程中的内在调控机制，进一步确认了m6A修饰与器官衰老的关联。
衰老生物标志物的研究对基础和转化医学均具有重大意义。近年来，多项研究工作建立了基于DNA上5mC修饰的衰老表征。这种基于年龄与DNA甲基化之间的密切联系而建立的模型，被称为“DNA甲基化时钟”。该研究不仅证明了m6A修饰在灵长类器官衰老进程中的重要作用，也为不久的将来基于m6A修饰发展新型“RNA甲基化时钟”提供了可能。
m6A作为mRNA上丰度最高的修饰，其在各种生物学过程中的功能和重要性已被大量研究报道。近几年，有相关研究表明，m6A修饰在调控衰老相关基因表达中发挥关键作用，深入研究m6A修饰为理解衰老机制打开了新的大门。目前，m6A修饰在组织/器官水平衰老中的调控作用和分子机制尚不清楚。中国科学院动物研究所刘光慧研究组联合其他研究组在Nature Aging杂志发表的题为 m6A epitranscriptomic regulation of tissue homeostasis during primate aging 的最新研究成果，阐明了m6A修饰在灵长类组织/器官衰老中的功能和分子机制。
该研究利用了年轻（4-6岁）和年老（18-21岁）的非人灵长类动物食蟹猴生理性衰老的三种组织/器官：肝脏、心脏和骨骼肌，采用m6A-seq和RNA-seq技术分别建立了三种组织/器官年龄相关的表观转录组和转录组数据库。表观转录组数据显示，在三种组织中都存在的m6A修饰转录本与维持基础关键生物学过程如染色质修饰、自噬和RNA代谢等相关，相关转录本表达具有高丰度、组织间差异小的特征；而组织特异性的m6A修饰转录本与组织特有功能相关，如肝脏中的脂代谢相关转录本、骨骼肌发育相关转录本以及心脏发育相关转录本，并且这些转录本在不同组织中的表达水平也具有高度特异性。这部分数据从宏观角度阐述了m6A修饰在不同组织中的分布特点，为接下来的研究提供了清晰的背景。
接下来研究者探讨了m6A修饰和年龄的关系。数据显示，大部分m6A修饰转录本并不随着年龄变化而改变，作者称之为“aging-stable m6As”，其中，大部分是三种组织中共有的。而还有一部分m6A修饰转录本只在年轻或年老的组织中检测到，称之为“old-loss or old-gain m6As”，具有高度组织特异性，并且其转录本表达水平呈现低丰度和组织特异性的特点。这说明年龄相关的m6A修饰改变是存在组织特异性的。而研究者也发现，随着年龄变化的m6A修饰，其转录本的表达水平也发生同样的变化。这说明，m6A可能通过影响相关的mRNA表达水平调控衰老，这也为接下来的机制研究提供了清晰的思路。
随后，研究者发现，骨骼肌总体m6A水平随着衰老显著下降，而在心脏和肝脏中没有类似变化。进一步发现，骨骼肌中METTL3蛋白水平随着衰老明显下降可能是导致m6A水平降低的直接原因。这些发现均提示了m6A在骨骼肌衰老中的重要作用。随后，作者进一步深入研究了METTL3调控骨骼肌衰老的机制，发现METTL3可以促进NPNT mRNA的m6A修饰，而IGF2BP1能够识别其m6A修饰并且增加其mRNA稳定性，并且证实了NPNT具有延缓骨骼肌细胞衰老的作用。这部分数据阐明了METTL3-m6A-NPNT轴在调控骨骼肌衰老中的重要作用。
这项研究首次从组织/器官层面揭示了m6A修饰随着年龄在肝脏、心脏和骨骼肌的分布和变化规律，阐明了骨骼肌特异性的衰老机制，使得衰老相关m6A修饰的组织特异性动态变化也更加清晰明了，为以后针对组织/器官衰老研究提供了新的思路和方案。
https://doi.org/10.1038/s43587-023-00393-2
制版人：十一
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