西北农林科技大学马闯课题组揭示植物m6A修饰的进化规律

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2021年10月11日，西北农林科技大学马闯课题组在Molecular Biology and Evolution杂志发表了题为“Evolutionary implications of the RNA N6-methyladenosine methylome in plants”研究论文。通过对13种跨越50亿年进化的代表性植物N6-甲基腺苷（m6A）的全转录组谱研究及分析，揭示了植物中 m6A 甲基化组的进化保守及差异，为从宏观进化层面进一步研究m6A的调控和功能提供了新的见解。

https://doi.org/10.1093/molbev/msab299

近年来对于植物表观遗传调控的分子机制研究方兴未艾，随着高通量表观转录组测序技术的发展，RNA修饰也被确定为基因表达的新型动态调节因子。其中m6A修饰是最为丰富的RNA表观修饰，可以RNA剪接、定位、翻译效率及稳定性等多个方面并且调节许多基因的表达水平。这种古老的RNA修饰模式在动物中非常保守，通过对黑猩猩、恒河猴和人类m6A 转录组分析发现，m6A的进化与基因序列和mRNA丰度的进化同时发生。近年来多个植物的单物种m6A转录组测序已经完成，然而关于植物物种在全球各个地理分布的进化动态变化和对基因组的影响则没有相关报道，本文正是试图回答这一科学问题。

作者为了探索植物物种的m6A转录组进化上的关系，构建并且测序了12个植物物种的m6A-seq文库，与前人发表的4个不同m6A数据库整合后，获得13个植物物种（六个双子叶植物、六个单子叶植物和一个苔藓植物；基因组大小为135MB–17GB；注释的蛋白质编码基因数量27,420–107,545）的m6A转录组（图1）。作者发现，m6A 峰优先富集在基因终止密码子和3'-UTR区域周围，所有基因的m6A甲基化程度与基因组大小和基因数量呈负相关关系。为了种间方便比较，作者把编码基因区分为直系同源基因(OG)和物种特异性基因(SG)，并且发现OG的m6A甲基化程度显着高于SG，m6A甲基化高度保守的OGs主要富集蛋白质转运和RNA加工途径，而物种特异性m6A甲基化位点的OGs主要富集信号转导和应激反应。这些结果揭示了m6A甲基化的进化动力学，与基因功能的进化有关。

图1.13个植物物种的m6A甲基化转录组的特征

作者进一步将具有不同进化起源的 OG 分为六类，对于双子叶植物和单子叶植物基因，平均 m6A 甲基化程度随着进化年龄而增加。作者使用 34 种植物物种构建的基因系统地层树分析了543,853个OG，发现位于叶绿体节间的OGs具有最古老的进化起源，随着系统地层学路径阶段变化，OG的m6A 甲基化程度逐渐降低，说明m6A 修饰保留在进化古老的基因中（图2）。

图2.m6A修饰更倾向于存在古老的基因中

由于古代的基因在植物生存中的基本功能，作者想探索这种环境选泽动力是否可以塑造进化过程中的m6A多样性。作者分析了 m6A 甲基化组差异与物种分化时间之间的相关性，发现 m6A 甲基化组的差异与物种分化时间呈正相关，作者又研究了进化速率与这些物种之间成对的OG的m6A状态差异之间的关系，结果表明对OG对的m6A分歧的进化存在一定限制，使得OG起源越早，m6A的差异越小（图3）。

图3.各物种间m6A甲基化表达模式的差异

此外，作者还讨论了植物多倍化背景下同源基因之间m6A修饰的差异，通过对G. max与 P. vulgaris，Z. mays与S. bicolor分析发现，m6A修饰的差异可能与多倍化后进化过程中同源基因自发突变有关。作者还发现了同源多倍体和异源多倍体物种之间的差异。作者推断植物多倍化后的序列变异可能是影响 m6A 修饰进化差异的重要因素（图4）。

图4.多倍体背景下m6A的进化特征

作者进一步讨论局部基因簇及基因家族扩展过程中m6A特征变化规律。作者发现，对于每个被子植物物种，显着扩展的基因家族中基因的m6A甲基化程度低于全基因组基因的m6A甲基化程度，说明在基因家族扩张的进化过程中，m6A修饰基因的消除可能是由局部基因组重复引发的。这些基因家族数量增加的过程伴随着家族成员的m6A甲基化率下降，导致m6A修饰的基因家族成员与非m6A修饰的基因家族成员之间的不对称（图5）。

图5.m6A修饰在基因家族扩张进化上的表现特征

最后，作者讨论了m6A修饰对基因组复制中的基因表达和翻译效率的影响。通过m6A-seq和核糖体分析发现，m6A修饰水平的降低可能会减弱由局部基因组重复引起的基因表达水平和翻译效率降低。对单基因来说，m6A修饰基因的表达水平显着高于非 m6A修饰基因。

图6.m6A修饰影响着翻译效率的进化特征

本文作者系统地比较了 13 种代表性植物物种中的 m6A 甲基化组，并提供了对m6A进化模式、过程和影响的新见解。发现m6A修饰的保守性，并且这种古老的修饰有助于某些物种形成和物种分化关键基因。基于本研究的结果，作者提出了一个概念模型来解释 m6A 甲基化组在植物中的进化作用（图7）。

图7.m6A修饰在植物进化的印迹表现

西北农林科技大学副教授苗震龑、博士生张庭为本论文共同第一作者，马闯教授为通讯作者。本研究得到国家青年人才项目、国家自然科学基金、陕西省人才计划项目、西北农林科技大学引进人才项目、中央高校基本科研业务费资助项目等项目的资助。

本文转自Mol Plant公众号，只为分享交流，无任何商业用途。点击左下角“阅读原文”查看论文全文。

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