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2016年Nature Methods年度技术:表观转录组分析(Epitranscriptome analysis)

Jan 03, 2017 No Comments

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每年年底,《自然方法》Nature Methods都会对过去一年中推动生物学发展的技术方法做出回顾与总结,由此评选出当年最受瞩目、影响力最大的技术。2016年,表观转录组分析(Epitranscriptome analysis)荣膺Nature Methods年度生命科学技术。

Epitranscriptome一词前使用希腊语“epi”作为前缀,它指的是添加到核糖核苷酸中的任何修饰,但不考虑该修饰的已知功能或遗传性。科学家们越来越意识到,对核糖核苷酸的化学修饰对调控细胞特性有重要作用。表观转录组学检测方法也越来越高效。

2006年,Andrew Fire和Craig Mello因发现RNA干扰而荣获诺贝尔生理学或医学奖。他们的成果发表后,生物学家们研究了大量非编码RNA的功能。直到今天,该领域依旧是热门的研究方向。目前该领域出现的问题是,RNA分子本身是如何受到调控的。更具体地说,发生于所有RNA种类中的转录后修饰的功能是什么?近年的技术突破(主要是基于测序方法引发的技术突破)让转录组分析(对这种RNA修饰的全基因组范围内的分析)成为可能,并指出了表观转录组的重要功能作用。

几十年来,生物学家们很少注意RNA修饰——直到20世纪60年代和70年代之间,RNA上的表观标记才被正式发现和报道。但当时,生物学家们关注的只有tRNA和rRNA,并且研究重点在DNA的表观遗传标记上。之后,研究者们发现,这种化学修饰出现在所有的RNA种类中,并且这些化学修饰会被动态地添加或删除。这些发现引起了学界对RNA修饰的兴趣。例如,去除腺苷上甲基基团的酶和阿尔茨海默病风险之间的关联表明,RNA修饰对神经元健康有重要调节作用。Arne Klungland等人在本期Nature Methods上发表了论文,讨论添加和删除腺苷上甲基基团的酶在细胞多潜能性和减数分裂上的调控作用。

RNA修饰和癌症之间的关联促使NIH启动了一项研究基金,资助使用新工具、技术来评估表观转录组在癌症生物学中的作用。其中一个备受关注的领域是使用CRISPR系统进行RNA标记的靶向修饰。

总的来说,对表观转录组学的功能表征的分析仍处于起步阶段;要了解这些标记的功能,必须首先确定其丰度和存在位置。

目前已知的RNA修饰超过100种。要想全面了解这些修饰,可以借助Modomics——一个列出所有已知RNA修饰的数据库。然而,RNA修饰种类的数目还在不断增加中,因为科学家们一直在开发新方法来发现和定性这些化学修饰。在本期Nature Methods中,Chengqi Yi等人的综述描述了检测最常见修饰,例如甲基-6-腺苷、假尿苷和肌苷的最新方法。

目前,该领域的研究人员仍然需要更先进的表观转录组学技术,专家们也各有想法。许多方法都依赖于基于抗体的富集,但这又带出了非特异性的问题。因此,一些研究人员专注于新的测序技术,如纳米孔或PacBio的单分子测序策略,以取得修饰的直接测序结果。

针对不同的标记,检测的方法有所差别。对于假尿苷,改善化学标记富集策略非常实用。研究人员发现,在cDNA合成期间,当遇到核苷酸上的某些化学基团时,逆转录酶就会失活,并且通常会停止工作。这样得到的独特读长标记可以用于分析,而且如果采用合适的软件,研究人员就能同时分析多种类型的修饰。但是其它标记,例如腺苷到肌苷的编辑,则可以采用专门的软件分析密码子的变化。事实上,表观转录组学领域不大可能有“一刀切”的方法,毕竟每种修饰的检测方法不一样,多方法结合最实用。一些更大的问题,如遗传性问题,最终也将获得解决。

诚然,我们对RNA修饰的了解非常有限,要做的工作还非常多,但目前已取得令人印象深刻的进展,例如已绘制了RNA修饰的粗略图谱。

Nature Methods上的详细内容请查看 

http://www.nature.com/nmeth/focus/moy2016/index.html

生命奥秘将会详细介绍表观转录组分析(Epitranscriptome analysis),敬请期待。

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