近日，南京農業(yè)大學菊花遺傳與種質創(chuàng)新團隊在《Genome Biology》期刊發(fā)表了題為“mRNA m⁶A regulates gene expression via H3K4me3 shift in 5’ UTR”的研究論文，揭示了m⁶A（N⁶-甲基腺苷）修飾在5'非翻譯區(qū)（5' UTR）調控組蛋白H3K4me3的移位來影響基因表達，進而調控葉片衰老的新機制。這一調控機制在擬南芥、水稻和菊花中高度保守，為植物表觀修飾調控葉片衰老提供了新見解。

m⁶A是真核生物中最常見且保守的RNA修飾之一，廣泛參與基因表達調控。以往研究主要聚焦于m⁶A在3' UTR的功能，而其在5' UTR的作用及其與組蛋白修飾的關系尚不明確。葉片衰老不僅影響作物的產量和品質，還決定了觀賞植物的觀賞價值和商品價值，然而m⁶A修飾調控葉片衰老的分子機制鮮有報道。該團隊研究發(fā)現(xiàn)，5' UTR區(qū)域的m⁶A甲基化修飾能夠觸發(fā)鄰近組蛋白H3K4me3修飾的移位，進而調控下游基因表達影響葉片衰老。

研究團隊通過對雙子葉模式植物擬南芥、單子葉模式植物水稻以及復雜基因組園藝植物菊花的轉錄組和meRIP-seq數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)m⁶A修飾在5' UTR區(qū)域的富集與基因表達的抑制密切相關。進一步分析表明，絕大多數(shù)m⁶A修飾的基因都是組蛋白H3K4me3修飾的靶基因。通過整合分析三個物種的meRIP-seq和H3K4me3 ChIP-seq數(shù)據(jù)，研究團隊發(fā)現(xiàn)mRNA 5' UTR區(qū)域的m⁶A修飾能夠影響編碼該基因的DNA區(qū)域H3K4me3 ChIP-seq信號的移位，從而精細調控靶基因表達，說明mRNA修飾與組蛋白修飾間存在密切互作。

為深入探究m⁶A修飾與組蛋白修飾之間的互作機制，研究團隊克隆并分析了m⁶A修飾酶MTA、H3K4me3修飾酶ATX1與RNA聚合酶II（RNA Pol II）之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)三者之間存在兩兩互作，且MTA與ATX1競爭性地結合RNA Pol II，尤其是競爭結合RNA Pol II第5位絲氨酸被磷酸化（Ser5P）的CTD結構域。此外，研究還發(fā)現(xiàn)m⁶A去甲基化酶ALKBH10B也與MTA競爭互作CTD結構域。鑒于CTD的Ser5P修飾在基因的轉錄起始和早期延伸過程中的關鍵調控作用，研究團隊提出了以下調控模型（見附圖）：在轉錄起始或早期延伸過程中，m⁶A甲基轉移酶MTA優(yōu)先結合RNA Pol II的Ser5P-CTD結構域以增加新合成mRNA 5’UTR區(qū)域的m⁶A修飾，同時競爭性地取代ATX1，從而減少H3K4me3修飾，導致轉錄起始或早期延伸效率下降；隨著轉錄的進行，ALKBH10B與MTA競爭結合RNA Pol II，降低5’UTR區(qū)域外的m⁶A修飾，進而重新招募ATX1恢復H3K4me3修飾。這種ATX1與RNA Pol II的動態(tài)結合最終導致H3K4me3修飾的移位。

借助前期建立的“園藝作物關鍵基因挖掘多組學聯(lián)合分析平臺”（Cheng et al., Plant J, 2023, 116(4):1018-1029），研究團隊挖掘到下游調控基因SBPASE，并通過遺傳學、分子生物學等實驗進一步驗證了m⁶A在5' UTR的修飾可通過調控H3K4me3的移位來影響該基因表達和葉片衰老。這項研究不僅揭示了m⁶A修飾在5' UTR區(qū)域的新功能，還為理解m⁶A與組蛋白修飾之間的相互作用提供了新視角，并提出了植物葉片衰老調控的新機制，為未來研究m⁶A修飾在植物生長發(fā)育中的功能奠定了的理論基礎。

博士研究生楊玉娜為論文第一作者，王利凱教授為論文通訊作者。蔣甲福教授、陳素梅教授和陳發(fā)棣教授，以及博士研究生黃雨晴、碩士研究生王甜和李松博士為共同作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費等項目的資助。

陳發(fā)棣教授領銜的菊花遺傳育種與種質創(chuàng)新團隊長期從事菊花應用基礎研究，已在Nature Communications、Molecular Plant、Genome Biology、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology、Plant Cell & Environment、Journal of Experimental Botany、Plant Journal等期刊發(fā)表了多篇研究論文。