NBT丨王晶/伊成器团队合作开发m6A单碱基定量测序检测方法

m⁶A是高等真核生物mRNA内部含量最丰富的修饰，目前认为~0.2-0.6%的腺苷中存在m⁶A修饰 【1,2】 。研究发现m⁶A由甲基转移酶METTL3和METTL14与WTAP等核心复合体 （“书写者”） 组成的甲基转移酶复合物添加形成 【3-8】 ，并可以通过去甲基化酶FTO和ALKBH5 （“擦除者”） 被“擦除” 【9,10】 。同时，有多种含有YTH结构域的识别蛋白，包括YTHDF1-3 , YTHDC1-2等可以识别RNA上的m⁶A修饰并招募相关RNA到不同的目标蛋白复合体中，进一步调控m⁶A标记mRNA的功能和命运 【11-15】 。近些年的研究揭示，m⁶A可通过其识别蛋白广泛参与pre-mRNA剪接、RNA输出、mRNA翻译和RNA降解等生物学过程 【16】 。

mRNA常见的化学修饰 【17】

研究者们已经开发了多种m⁶A检测方法，尽管这些技术在一定程度上已经促成了m⁶A研究领域的多种重大进展，现有的m⁶A方法仍然存在几个重要的局限性 。目前为止，检测m⁶A的高通量测序技术主要有三大类： （1） 基于m⁶A抗体的检测方法。 此方法能够检测m⁶A，但是无法获得其高分辨率的位点信息 【18-19】 。 （2）基于限制性内切酶的检测技术。 该技术能够检测到单碱基m⁶A的信息且能够对m⁶A进行定量，然而，该技术只能检测含有ACA 基序的m⁶A。 （3）基于三代测序和机器学习的方法。 这种方法能够提供m⁶A的单碱基信息且能够进行定量，然而三代测序存在价格昂贵、检测准确性低等问题，且不能够实现对m⁶A的绝对定量。迄今为止，对m⁶A的无偏好检测和绝对定量仍未得到解决。

2022年10月27日，北京大学药学院王晶研究员联合北京大学生命科学学院伊成器教授在Nature Biotechnology杂志上发表了题为 Absolute quantification of single-base m⁶A methylation in the mammalian transcriptome using GLORI 的文章， 该研究开发的m⁶A检测技术GLORI (Glyoxal and nitrite-mediated deamination of unmethylated adenosine) 突破了以上技术的局限性，首次实现了高效率、无偏好的检测单碱基m⁶A位点，并对m⁶A位点的修饰水平进行绝对定量。

GLORI技术核心是通过化学反应组合筛选发现乙二醛和亚硝酸盐的催化体系，对未甲基化的腺苷进行高效地脱氨从而形成肌苷(A-to-I, > 98%)，肌苷在逆转录过程中和胞苷配对，进而在测序过程中被读成鸟苷(G)，形成A-to-G的转化；而m⁶A则保持不变，测序后仍被读成A (图1a-c) 。GLORI通过检测测序的读段序列中A所占的比例，实现了对单碱基m⁶A的绝对定量 (图1d) 。 在概念上，GLORI技术类似于利用亚硫酸氢盐定量检测基因组5mC的含量。

图1：GLORI 的检测原理。a, GLORI实现A-to-I的转化。b, GLORI的化学反应过程。c, GLORI中乙二醛和亚硝酸盐介导脱氨作用前后（上）和（下）的LC-MS/MS分析。d, GLORI技术在基因MRPS26上定量检测m⁶A位点的例子。

GLORI技术不依赖于抗体，并具有高灵敏度和高特异性的检测m⁶A。首先，该团队在HEK293T转录组中，鉴定出了176,642个m⁶A位点，并且发现，随着测序深度的增加，可检测的m⁶A位点可以进一步的增加，该结果扩展了人们对mRNA上m⁶A存在数量的认识。此外，GLORI技术能够实现对m⁶A的准确定量：即使修饰水平较低的m⁶A（5%），GLORI也能够实现准确检测。重要的是，GLORI检测m⁶A位点的修饰水平具有很高的技术重复性，提示了GLORI定量检测良好的稳定性。随后分析发现，约91%的GLORI检测位点符合m⁶A的经典序列DRAC (D=G/A/T, R=A/G) ，且这些位点都富集在转录本的终止密码子附近、CDS和3’UTR，也符合现有研究对m⁶A的广泛认识。

利用GLORI技术，研究者们进一步描绘了HEK293T中m⁶A的定量图谱。在整个转录组中，m⁶A的甲基化水平的中位数约40%，转录组上整体的m⁶A修饰水平呈现“马鞍形”的分布，约38%的m⁶A位点的修饰水平超过了50%。随后对含有不同m⁶A修饰水平的mRNA进行功能分析发现，mRNA上整体m⁶A的修饰水平和RNA的转录水平及翻译效率都呈现负相关关系。至此，GLORI首次实现了全转录组的m⁶A定量图谱，也完成了对基因表达和翻译调控的定量评估。

此外，该团队发现在一些基因的特定区域中出现了一类聚集分布的m⁶A位点 （m⁶A簇） 。随后的分析发现, 转录组中~33%的m⁶A位点会参与形成这种m⁶A簇，而形成m⁶A簇的相关位点具有更高的m⁶A修饰水平。相比于不具有这类m⁶A簇的基因，这类m⁶A簇的基因显著降低基因的转录水平和翻译效率，从而负调控基因的表达。

最后，该团队进一步将GLORI技术应用于热休克及缺氧的两种压力体系和HeLa及MEF两种细胞系中观察m⁶A的动态调控，并提供了转录组上m⁶A对压力条件应激的定量图谱。作者们发现在两种压力体系下约有4.8-11% m⁶A位点具有动态变化，并且上调和下调的m⁶A位点表现出不同的富集模式：在缺氧时，上调和下调的位点分布富集在5′UTR和终止密码子附近，而热休克体系中这种富集则呈现相反的趋势。不同于野生型细胞中m⁶A对基因表达的负调控作用：在热休克条件下，m⁶A整体修饰水平升高的mRNA的翻译效率显著上调，且这种上调的调控作用在具有m⁶A簇的mRNA中更为显著。该结果提示了m⁶A在不同环境下对基因表达中具有特异性的调控。

综上，该研究展示了GLORI技术高灵敏度、高特异性的无偏好绝对定量检测m⁶A的特性，攻克了当下m⁶A定量测序技术的瓶颈。基于其在检测m⁶A方面的优异表现，GLORI将有助于推动和解决m⁶A在细胞分化、胚胎发育和临床检测等多种领域中的功能研究和核心生物学问题, 有望成为定量m⁶A测序技术的“金标准”。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41587-022-01487-9

制版人：十一

参考文献

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