Nature：劉峰/楊運桂合作組揭示m6A在造血幹細胞發育中的關鍵作用—專家點評

BioArt按：最近一段時間，有關m6A修飾的相關研究可以說是當前整個生命科學領域最熱門的方向之一，亮點文章頻出，著實讓人有些目不暇接。這些工作主要涉及m6A在果蠅性別決定、調節斑馬魚母源mRNA清除、小鼠精子發生、T細胞穩態調控以及抗病毒天然免疫中的重要作用。然而，對於m6A修飾在脊椎動物造血幹細胞發育過程中的作用目前並沒有相關報道，而且對整個造血幹細胞發育過程的動態調控機制來說以現有的認識仍有待完善。9月6日，中科院北京動物所劉峰課題組與北京基因組研究所楊運桂課題組合作，在Nature雜誌發表了題為「m6A modulates haematopoietic stem and progenitor cell specification」的論文，首次發現了m6A修飾對造血幹細胞命運決定調控的重要作用，並揭示了相關調控在脊椎動物中的保守性，還將為體外誘導擴增造血幹細胞提供了理論指導。該成果全部由我國科研人員在國內獨立完成，是世界範圍內造血幹細胞領域的重要發現。有鑒於此，BioArt特別邀請到了四川大學生物治療國家重點實驗室長期從事血液幹細胞研究的胡以國研究員對該工作進行點評，以饗讀者。

論文解讀：

眾所周知，血液是生命的源泉。不斷流動的血細胞既可以運輸營養物質，又是重要的免疫保護屏障。其中，所有的血細胞都來源於造血幹細胞。這群幹細胞不僅可以維持血液系統的長期穩定，也是骨髓移植治療惡性血液疾病的核心組分。目前，造血幹細胞來源仍是制約臨床惡性血液疾病治療的瓶頸。因此，造血幹細胞的體內發育和體外誘導擴增已成為當今科學界的熱點課題之一。

在脊椎動物中，造血幹細胞最初由特化的生血內皮通過內皮-造血轉化（EHT）過程產生於胚胎期主動脈-性腺-中腎區，隨後向胎肝（小鼠和人）或尾部造血組織（斑馬魚）遷移並進行擴增，向胸腺遷移以便發育為淋系細胞，最後，向骨髓（小鼠和人）或腎髓（斑馬魚）遷移以維持終生造血。經過幾十年的研究與探索，我們對於造血幹細胞的體內發育和體外誘導分化已有了基本的了解，但對整個過程的動態調控機制的認識仍不完善，尤其對於表觀遺傳修飾在脊椎動物造血幹細胞發育過程中的作用更是知之甚少。

m6A（N6-甲基腺嘌呤）是最常見、最豐富的真核生物mRNA轉錄後修飾形式之一。該修飾過程是動態可逆的，並由甲基轉移酶複合體（METTL3、WTAP和METTL14組成）、去甲基酶（FTO和ALKBH5）和相應的閱讀器（YTHDF1/2/3，YTHDC1）協同調控。目前，m6A的生物學功能研究備受關注，並成為當前生命科學熱門研究領域之一，近一段時間以來，Nature雜誌連續發文報道了m6A在斑馬魚早期發育(Zhao et al., 2017)、果蠅性別決定(Lence et al., 2016)及T細胞穩態(Li et al., 2017)中的重要作用，此外最近還有關於m6A在抗病毒天然免疫（Zheng et al., 2017）和精子發生（Hsu et al., 2017；Xu et al., 2017）中的相關報道。儘管目前我們對於m6A修飾已經有了初步了解和認識，但是該修飾更廣泛的生物學功能以及其作用機制仍有待深入探索和挖掘。

中科院動物研究所劉峰研究員領導的血液與心血管發育研究組長期以斑馬魚為模式生物研究造血幹細胞發育的分子調控機制，不久前該課題組在Dev Cell雜誌上還報道了血管微環境調控造血幹細胞發育的新機制（詳見此前BioArt的報道：Dev Cell：劉峰組發現血管微環境調控造血幹細胞發育的新機制）。

劉峰課題組前期與北京基因組研究所楊運桂實驗室合作發現並鑒定了斑馬魚中的m6A甲基轉移酶複合體成分 (Ping et al., 2014)。在此基礎上，研究人員通過m6A測序技術（m6A-Seq）發現，缺失m6A甲基轉移酶mettl3後，m6A在胚胎髮育相關mRNA中的富集程度顯著下降。同時，在斑馬魚的血液-血管系統中，可檢測到mettl3的特異性表達。由此推測，m6A修飾與血液發育過程密切相關。

進一步系統的表型檢測顯示，在mettl3缺失的胚胎中，造血幹細胞不能正常產生，血管的內皮特性卻明顯增強，內皮-造血轉化過程受到阻斷。m6A-Seq和RNA-Seq綜合分析發現，在mettl3缺失的胚胎中，一系列動脈內皮發育相關的基因，尤其是notch1a的m6A修飾水平顯著降低，而其mRNA水平卻顯著升高。

圖：m6A修飾調控造血幹細胞產生模式圖。甲基轉移酶Mettl3通過m6A修飾決定notch1a的mRNA水平，進而調控內皮-造血轉化過程。

上述結果證明，m6A修飾與EHT過程中內皮和造血基因表達的平衡調控相關。此外，YTHDF2-RIP-Seq和單鹼基解析度的m6A-miCLIP-Seq發現，m6A通過YTHDF2介導notch1a mRNA的穩定性，以維持EHT過程中內皮細胞和造血細胞基因表達的平衡，進而調控造血幹細胞的命運決定。上述結果在小鼠中也得到了驗證，證明m6A對造血幹細胞命運決定的調控在脊椎動物中是保守的。

該工作首次揭示m6A mRNA甲基化修飾在脊椎動物造血幹細胞命運決定中的調控機制，豐富了對m6A mRNA甲基化在正常生理狀態下的生物學功能的認識，是該研究領域的重大科研突破。上述成果不僅首次闡釋RNA的表觀修飾在血液發育中的關鍵作用，還將為體外誘導擴增造血幹細胞提供了理論指導。

圓球代表幹細胞，綠色部分代表內皮細胞，中間是RNA鏈，紅色代表m6A修飾。

據悉，中國科學院動物研究所博士研究生張春霞、王璐副研究員，中國科學院基因組所博士生陳宇晟、孫寶發博士、楊瑩博士為共同第一作者，劉峰研究員和中國科學院基因組所楊運桂研究員為共同通訊作者。該課題得到了國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、國家重點基礎研究發展計劃和中科院幹細胞與再生醫學戰略性先導科技專項的資助。

專家點評：

胡以國 研究員（四川大學生物治療國家重點實驗室）

Comments：N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine, m6A)是高等生物mRNA中含量最多的在進化上保守的修飾之一。m6A 修飾是動態可逆的，修飾具有序列特異性、甲基化位點選擇性。 m6A由甲基轉移酶複合物WTAP/METTL3/METTL14催化形成及去甲基化酶ALKBH5和FTO催化去甲基化。目前發現，YTHDF1 (YTH domain-containing family protein 1)、YTHDF2 (YTH domain-containing family protein 2)、YTHDC1 (YTH domain-containing protein 1)和核內 HNRNPA2B1 (Heterogeneous nuclear ribonucleoproteins A2B1)識別並結合m6A。m6A修飾調控靶基因mRNA的穩定性及選擇性剪切。mRNAm6A修飾在生命進程中的重要調控作用（張笑等，2016）。

最新發表在Nature雜誌上的研究表明，m6A修飾調控靶基因mRNA在血管壁內皮細胞轉化為造血幹細胞的過程中起著及其重要的作用。這項研究由中國科學院動物研究所膜生物學國家重點實驗室劉峰課題組和中國科學院北京基因組研究所楊運桂研究組聯合完成，中國科學院動物研究所張春霞等為第一作者。

造血幹細胞（haematopoietic stem cell HSC）是存在於造血組織中的一群原始造血細胞，成體中骨髓是幹細胞的主要來源。前期的研究表明，HSC可以由血管內皮細胞轉化而來。新近的結果顯示，從成年小鼠器官中分離出血管內皮細胞，在體外將基因Fosb、Gfi1、Runx1、Spi1表達其中，可以將之轉化為造血幹細胞。同時用完全被輻射破壞體內血細胞生成和免疫系統缺陷的小鼠，將上述體外誘導擴增而來的造血幹細胞移植至小鼠體內，小鼠的整個血液系統得以恢復，並發育出了免疫系統的所有正常組分（Lis et al., 2017）。

因此，全面理解血管內皮細胞轉化成為HSCs的機制，使這種方法可以被規模化，並應用於人類，那麼將具有十分廣泛的臨床意義。張春霞等的工作從mRNA修飾的角度進一步闡明m6A 修飾在此過程中的意義。他們的研究顯示抑制參與m6A甲基轉移酶複合物中的重要組成基因Mettl3, 對在轉化過程中起重要作用的基因Runx1、 cMyb、Gata1、Pu.1和Rag1的mRNA量在血管內皮細胞顯著降低，而在此過程中起抑制作用的Notch1a的mRNA量顯著增高，結果抑制血管內皮細胞向HSCs轉化。

參考文獻

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劉峰研究員簡介

劉峰，博士，中國科學院動物研究所膜生物學國家重點實驗室研究員，「百人計劃」引進人才，「國家傑出青年科學基金」獲得者，科技部「中青年科技創新領軍人才」。1999年畢業於中國科學院遺傳研究所，獲分子遺傳學博士學位；2000年至2008年在新加坡分子農業生物學研究院、美國范德堡大學醫學院和英國牛津大學分子醫學研究所利用斑馬魚和非洲爪蟾從事造血幹細胞的基礎研究。2009年回國後，劉峰博士帶領的血液與心血管發育研究組以斑馬魚和小鼠為模型，研究血液系統發育的分子機制，重點關注血液與心血管幹細胞/前體細胞的形成、造血幹細胞命運決定、維持及分化等。近年來，以通訊作者在Nature、Dev Cell、PNAS、JEM、Blood、Nat Commun、Cell Res、Development等雜誌發表論文20餘篇。課題組承擔了科技部、國家自然科學基金委以及中國科學院等一系列重大課題。與此同時，劉峰博士還擔任國際斑馬魚學會執行委員、中國動物學會斑馬魚分會主任委員以及中國動物學會發育生物學專業委員會副主任委員兼任秘書長等。

楊運桂研究員簡介

楊運桂，博士，現任中國科學院北京基因組研究所研究員，國家「傑青」。楊運桂研究員1995年本科畢業於復旦大學生命科學學院，2000年博士畢業於中科院上海藥物所/上海生物工程研究中心（導師楊勝利教授/中國工程院院士），分別在法國世界衛生組織國際癌症研究中心（2000-2005年）（導師汪兆琦教授/歐洲科學院院士）和英國癌症研究所Clare Hall實驗室（2005-2008年）（導師Tomas Lindahl教授/英國皇家科學院院士/2015年諾貝爾化學獎得主）接受博士後科研訓練。2008年獲聘中國科學院北京基因組研究所「百人計劃研究員」，2014年任中國科學院大學生命科學科教融合卓越創新中心教授，2014年任中國科學院精準基因組醫學重點實驗室副主任，2015年任中國科學院北京基因組研究所學術委員會主任。楊運桂研究員致力於探討RNA表觀轉錄組調控與作用機理，鑒定RNA甲基化修飾（如6-甲基腺嘌呤-m6A）編碼器、讀碼器及解碼器重要蛋白，闡明其調控機制和生物學功能及與人類疾病關聯。參與發現RNA 6-甲基腺嘌呤修飾甲基轉移酶和去甲基化酶，證實了RNA甲基化修飾類似於DNA甲基化，具有可逆性及調控mRNA加工代謝的生物學功能，為中心法則增加了除表觀基因組和表觀蛋白組之外的一種新的表觀轉錄組（RNA甲基化）調控層次。近年來，楊運桂研究員的成果主要發表在Nature、Cell Stem Cell、Molecular Cell、Nature Communications、Cell Research等雜誌上。

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