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易基因：RNA-BS揭示叶酸调控神经干细胞m5C修饰和mRNA翻译机制｜科研速递

来源：博客园

大家好，这里是专注表观组学十余年，领跑多组学科研服务的易基因。

叶酸作为一种必需B族维生素，是一种具有重要生物学功能（包括DNA甲基化调控）的甲基供体。正常的神经发育和生理对细胞叶酸水平很敏感，而叶酸缺乏或过量都可能导致神经系统疾病。最近已有研究表明叶酸与哺乳动物线粒体中tRNA m5C修饰和翻译有关。然而，叶酸摄入对神经元mRNA m5C修饰和翻译的影响在很大程度上仍然未知。


(资料图)

2022年11月23日，美国弗吉尼亚理工大学谢荷煌教授团队以“Folate regulates RNA m5C modification and translation in neural stem cells”为题在《BMC Biology》杂志上发表研究论文，该研究通过RNA-BS和对应的RNA-seq测序分析揭示了叶酸对小鼠神经干细胞（neural stem cell，NSC）转录组范围内mRNA m5C甲基化和翻译的作用，并阐明了mRNA m5C甲基化和mRNA翻译之间的潜在联系。

标题：Folate regulates RNA m5C modification and translation in neural stem cells（叶酸调节神经干细胞的RNA m5C修饰和翻译）

时间：2022.11.23

期刊：BMC Biology

影响因子：IF 5.4

技术平台：RNA-BS、RNA-seq、RT-qPCR、Western blot等

样本：

从侧脑室室管膜下区(SVZ)分离小鼠神经干细胞（NSC），将NSC放置在聚鸟氨酸和层粘连蛋白包被的培养皿中，并在第2天更换培养基将细胞培育4天。根据叶酸（FA）浓度将细胞分为三个处理组：低FA组（LF，1.5μmol/L）、中FA组（MF，10μmol/L）和高FA组（HF，80μmol/L），两个生物学重复，共6个mRNA-seq文库和6个mRNA BS-seq文库。

实验设计示意图

研究摘要：

本研究在三种不同浓度的叶酸中培养的NSC显示出不同的mRNA甲基化谱。尽管只发现了少数差异表达基因，但在叶酸缺乏或补充的神经干细胞（NSC）中发现数百个差异翻译基因。低浓度叶酸诱导的差异翻译基因与细胞质翻译和线粒体功能相关，而高浓度叶酸诱导的差异翻译基因与神经干细胞增殖增加相关。与总mRNA相比，多聚体mRNA中m5C水平高。此外，综合分析表明RNA m5C甲基化与mRNA翻译效率之间存在转录特异性关系。

研究结果

（1）不同叶酸浓度对小鼠神经干细胞中mRNA丰度的影响

小鼠NSC培养物用神经祖细胞标记物Nestin(细胞质，绿色)和Sox2(细胞核，红色)染色，并用DAPI(细胞核，蓝色)复染图1：叶酸对NSC中mRNA丰度的影响。火山图显示LF与MF（左）和HF与MF（右)

（2）小鼠神经干细胞的整体m5CmRNA图谱

图2：mRNA BS-seq数据集中高置信度m5C位点表征。

  1. 两个重复之间m5C位点重叠维恩图。
  2. 两个重复之间重叠m5C位点的甲基化水平相关性点图。
  3. 两个重复中重叠和非重叠m5C位点甲基化水平箱线图。

图3：m5C修饰在小鼠神经干细胞总mRNA中的分布。a-b. NSC中m5C位点(a)和m5C修饰(b)的mRNA占总mRNA的数量条形图。c. NSC中总mRNA中m5C位点的甲基化水平箱线图。

  1. NSC中总mRNA中m5C位点附近序列标记。
  2. m5C位点沿mRNA转录本(5"UTR、CDS、3"UTR)分布密度图。显示mRNA m5C位点百分比的移动平均值。
  3. 三种不同浓度叶酸条件下(LF、MF、HF) m5C位点重叠维恩图。
  4. m5C修饰的mRNA在LF、MF和HF中的GO分析气泡图

（3）叶酸以剂量依赖性方式诱导mRNA翻译变化

图4：叶酸缺乏和补充影响NSC的mRNA翻译。

a-b. 分离无核糖体和结合核糖体RNA的蔗糖梯度示意图(a)和254nm下记录的代表性polysome图谱(1.5μM FA，replicate 1)的部分polysome (9-15部分)(b)。

c. LF和MF之间的差异翻译基因(DTGs)的比较火山图。

d. HF和MF之间差异翻译基因(DTGs)的比较火山图。

e. DTGs的GO分析气泡图，LF的翻译效率降低(LF vs MF下调)，HF的翻译效率降低(HF vs MF下调)，HF的翻译效率增加(HF vs MF上调)

（4）叶酸诱导polysome mRNAm5C甲基化水平变化

图5：叶酸对小鼠NSCpolysome mRNAm5C甲基化的影响。

  1. PolysomemRNA中m5C位点附近序列的序列频率标志。
  2. m5C位点沿mRNA转录本（5′UTR、CDS、3′UTR）分布密度图。显示百分比的移动平均值。
  3. PolysomemRNA中m5C位点甲基化水平方框图。
  4. pMF和pLF之间差异甲基化m5C位点的甲基化水平比较热图。两个生物学重复（R1、R2）。
  5. pMF和pHF之间差异甲基化m5C位点的甲基化水平的比较热图。两个生物学重复（R1、R2）。
  6. pMF vs pLF和pMF vs pHF mRNA DMS修饰的GO注释。

（5）m5C修饰与mRNA翻译相关性

图6：m5C甲基化与mRNA翻译相关性。

a–c. 总mRNA和PolysomemRNA之间的差异甲基化的m5C位点甲基化谱热图。

d–f. 总mRNA和PolysomemRNA之间的差异表达基因（DEG）Volcano图。

g–i. m5C甲基化水平显著变化的mRNA分布，分三类：m5C甲基化与mRNA翻译效率之间的正相关、负相关和中性相关。

j. 不同m5C甲基化mRNA翻译相关类别位点分布的堆积条形图。

k. 三种不同叶酸浓度条件下m5C甲基化和mRNA翻译之间具有一致正/负/中性相关性的转录本汇总表。

研究结论

本研究通过RNA-BS和RNA-seq联合分析表明了叶酸对NSC转录组范围内mRNA m5C甲基化和翻译的作用，并揭示了mRNA m5C甲基化和mRNA翻译之间的潜在联系。m5C甲基化调控mRNA翻译的机制值得使用体内模型进行进一步研究。

关于易基因RNA m5C甲基化测序(RNA-BS)技术

m5C是RNA百余种修饰中研究较多的一种。m5C存在于tRNA上时，可以对翻译进行调节；存在于rRNA上时，可以对核糖体的生物合成进行质控；存在于mRNA上时，则可以影响mRNA的结构、稳定性及翻译过程。

易基因提供适用于不同科研需求的m5C甲基化测序技术：

  • 常规mRNA m5C甲基化测序（RNA-BS）：mRNA分离后首先通过亚硫酸盐处理，非甲基化的C转变为U，m5C修饰的碱基保持不变，结合高通量测序，可以对RNA上的每一个C碱基修饰进行定位与定量。
  • 常规mRNA +lncRNA m5C甲基化测序（全转录组RNA-BS）：

易基因科技建立的升级版m5C RNA甲基化测序服务，去除人rRNA后，剩余RNA经重亚硫酸盐处理后，结合高通量NGS策略，可在全转录组范围内单碱基分辨率地检测基因m5C甲基化修饰分布。

技术优势：

  • 高深度：超高深度重亚硫酸盐处理，检测准确性极高；
  • 高通量：结合高通量NGS，全转录组范围内检测；
  • 单碱基：单碱基分辨率，快速检测和分析RNA中的m5C。
  • 高准确：精确的检测mRNA等每一个C碱基的的修饰水平。

研究方向：

  • 与m6A甲基化类似，m5C甲基化已被证明与肿瘤、神经系统紊乱、代谢性疾病、病毒感染以及个体发育等密切相关。
  • 此外，RNA甲基化（m5C）与人类疾病密切相关，其功能涉及调控干细胞应激、细胞毒性应激、mRNA出核和植物细胞发育及基因表达等方面。

实验策略：

易基因RNA m5C甲基化建库测序示意图

易基因科技提供全面的RNA甲基化研究整体解决方案。

参考文献：

Xu X, Johnson Z, Wang A, Padget RL, Smyth JW, Xie H. Folate regulates RNA m5C modification and translation in neural stem cells. BMC Biol. 2022 Nov 23;20(1):261.

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