m6A甲基化修饰在植物生长发育中的功能研究进展

杨庆玲 向小雪 娄红梅

摘要 N6-甲基腺苷（m6A）是真核mRNA最丰富的内部修饰，在人类和其他哺乳动物的生长发育中发挥重要的生物功能，在植物中也发挥着至关重要的调控作用，其在植物中的功能和分子调控机制一直是研究的热点。概述了m6A甲基化的基本组成以及其在动植物中的相应组分，重点阐述了其在植物生长发育中的作用，探讨目前存在的问题，旨在为深入研究m6A甲基化在植物中的作用机制以及提高植物生产力、培育优良品种提供理论依据。

关键词 RNA修饰;N6-甲基腺苷（m6A）;甲基化;植物生长发育

中图分类号 Q943.2  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）05-0015-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.005

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress on Function of m6A Methylation Modification in Plant Growth and Development

YANG Qing-ling，XIANG Xiao-xue，LOU Hong-mei

（School of Bioengineering， Chongqing University， Chongqing 400044）

Abstract N6-methyladenosine （m6A） is the most abundant internal modification of eukaryotic mRNAs and plays an important biological function in the growth and development of humans and other mammals.It also plays a crucial regulatory role in plants， and its function and molecular regulatory mechanisms in plants have been the focus of research. The basic composition of m6A methylation and its corresponding components in animals and plants are summarized， its role in plant growth and development is emphatically described， and the existing problems are discussed in order to study the mechanism of m6A methylation in plants and improve plant productivity and cultivate excellent varieties for theoretical basis.

Key words RNA modification;N6-methyladenosine （m6A）;Methylation;Plant growth and development

作者简介 杨庆玲（1996—），女，重庆人，硕士研究生，研究方向：植物分子生物学。

收稿日期 2021-05-25

真核生物中已经确定有超过160种RNA修饰，常见的修饰包括N6-腺苷酸甲基化（m6A）、N1-腺苷酸甲基化（m1A）、胞嘧啶羟基化（m5C）等[1]，而m6A作为真核生物最丰富的内部修饰，广泛存在于RNA、mRNA、tRNA、miRNA和长的非编码RNA中[2]。m6A是一种动态可逆的修饰方式，在转录后调控中发挥作用，影响RNA代谢的各个方面，例如调控基因表达、RNA 编辑、控制mRNA寿命和降解等，具有重要的研究意义[3]。

到目前为止，大多数m6A研究集中在人类和其他哺乳动物系统，而在植物中的研究则相对较少。该研究综述了m6A甲基化修饰在植物系统中的最新研究进展，探讨目前研究存在的问题，有助于更好地理解m6A修饰的作用，以期更加全面地理解m6A甲基化修饰在植物生长发育各阶段的复杂调控机制。

1 m6A甲基化

1.1 m6A甲基化概述

m6A甲基化是指腺苷核苷酸在N-6位置的甲基化，這是一个动态可逆的过程[4]。m6A修饰是非常保守的，在植物中，m6A修饰是由特定的甲基化酶识别固定的基序来完成的，在植物中通常为基序RRACH（R = G or A;H：U>A>C）[5]。但是生物体中m6A修饰水平远低于RRACH丰度，表明并不是所有的RRACH基序都会进行甲基化修饰，也就意味着M6A修饰还有其他复杂的调控途径尚未研究透彻。

m6A修饰系统由发挥甲基化功能的甲基化酶（writers），逆转甲基化的去甲基化酶（erasers），以及识别甲基化的识别蛋白（readers）组成。它们主要通过在RNA上添加、去除和结合m6A位点，来调节RNA 的命运[6]。

1.2 动物中的m6A组分

m6A修饰首先在哺乳动物中被发现[7]。METTL3作为第1个甲基化酶在哺乳动物中被发现并克隆[8]。第2种m6A甲基化组分METTL14与METTL3高度同源，二者可结合形成稳定复合物METTL3-METTL14实行m6甲基化修饰[9-10]。第3种甲基化组分WTAP可以与这种复合物相互作用从而影响这种甲基化[11]。KIAA1429沉默后观察到细胞的m6A水平显著下降，因此被认定为甲基化复合物的第4种组分[11]。 性别影响因子Virilizer可以通过m6A修饰控制性别决定，被认为是第5种甲基化组分[12]。

由于过去研究m6A修饰方法的局限性，一直以来人们都以为它是一种静态修饰，直到发现脂肪量和肥胖相关蛋白（FTO）可以逆转RNA上的m6A甲基化修饰时[13]，人们才意识到这种修饰是可逆的，因此更加激发了人们对m6A甲基化修饰的研究热情。值得注意的是，最近的一项研究表明，当底物为N6，2-O-二甲基腺苷（m6Am）而不是m6A时，FTO具有更高的催化速率[14]。第2个m6A去甲基化酶ALKBH5（烷基化修复同源物5）是FTO的同源物[15]，其m6A去甲基化活性影响哺乳动物细胞内的总RNA合成和mRNA输出。

m6A识别蛋白用于识别m6A甲基化修饰，对于mRNA后续生命进程的控制有十分重要的作用。目前人类中鉴定出来的一组包含YTH结构域的识别蛋白主要有YTHDF1、YTHDF2、YTHDF3、YTHDC1、YTHDC2[16]。另一组m6A识别蛋白有共同的RNA结合结构域，包括HNRNPC、HNRNPG和hnRNPA2B1，它们可以结合核转录本，促进初级miRNA加工，并介导m6A对初级microRNA加工和选择性剪接[17-19]。另一类识别蛋白，胰岛素样生长因子2mRNA结合蛋白1-3（IGF2BP1-3），通过识别共有GG（m6A）C序列靶向数千个mRNA转录本，促进其靶mRNA的稳定性和储存，因此影响基因表达输出[20]。

1.3 植物中的m6A组分

在植物中已经鉴定出了一些相应的m6A组分。以模式植物拟南芥为例，其甲基化酶包括MTA（METTL3人类同源蛋白），MTB（METTL14人类同源蛋白），FIP37（WTAP人类同源蛋白），VIRILIZER（KIAA1429人类同源蛋白）和E3泛素连接酶HAKAI（HAKAI人类同源蛋白），它们主要在植物的胚胎发育以及营养和生殖发育过程中起作用，缺少甲基化组分会导致一些生长发育缺陷[21]。

通过α-酮戊二酸依赖性双加氧酶（AlkB）同系物（ALKBH）蛋白可以去除RNA上的甲基化标记[22]。拟南芥已经鉴定出的去甲基化组分有ALKBH9B和ALKBH10B，它们分别与病毒感染和植物的开花过程有关[23-24]。拟南芥中有13个基因编码ALKBH家族成员，它们都含有一个保守的2-氧戊二酸-Fe（II）-Oxy-2结构域[22]，大多数ALKBH的功能尚未确定，还有待进一步研究。

拟南芥中已经鉴定出的识别蛋白有13种[25]，已经过单双突变体实验证实ECT2、ECT3、ECT4调节植物器官发生的时间和执行，其中ECT2与毛状体的发育有关。根据该家族的高度保守性，在水稻中鉴定出了12种同源蛋白[25]，目前还未报道其相关作用。

2 m6A在植物中的功能研究

2.1 甲基化酶

m6A RNA甲基化在拟南芥中研究得相对较多，AtMTA（METTL3的同源物）的T-DNA插入突变体会产生白色的种子，不能正常发育，表现为胚胎致死，表明AtMTA在拟南芥的胚胎发育中至关重要[26]。随后，Bodi等[27]为了进一步研究AtMTA的功能，通过在胚胎特异性ABI3启动子的控制下表达MTA以绕过胚胎致死表型，在成熟植株中叶片和花的mRNA上的m6A水平降低了90%以上，产生的转基因植株表现出植株矮化、叶片皱缩、花序变短、顶端优势降低等生长缺陷，表明AtMTA在拟南芥的生长发育中起着广泛的作用。

研究表明，AtMTB、AtVIR突变体与AtMTA突变体具有相似的发育缺陷[21]，都表现出发育延迟和顶端优势降低，其幼苗还显示出根系生长减少和异常的重力反应，并且都表现出原木质部发育缺陷，与野生型相比，检测到原木质部链中断和倍增的发生率增加。

另外，AtFIP37（WTAP同系物）的纯合突变也会导致胚胎致死，种子无法进一步发育[25]。同样地通过ABI3啟动子进行表型拯救后发现，AtFIP37通过介导拟南芥上WUS和STM这2个转录本的m6A修饰，调控拟南芥后期茎尖分生组织的发育。而AtFIP37的缺失导致WUS和STM这2个基因m6A整体修饰水平大大降低，导致mRNA在茎尖分生组织中过度富集，最终影响其发育[28]。

在水稻中，OsFIP对于水稻雄性配子形成至关重要。敲除OsFIP可导致小孢子在花粉液泡期的早期退化，同时导致前期减数分裂异常。OsFIP直接介导部分 mRNA的m6A甲基化，并且对它们的表达和/或剪接是必需的，进而调节孢子发生的进程[29]。

2.2 去甲基化酶

在拟南芥中，alkbh10b突变体中ALKBH10B的缺失延缓开花并抑制营养生长。Duan等[24]发现ALKBH10B通过介导花期相关基因的去甲基化修饰调控拟南芥成花转变过程，同时通过RNA甲基化测序挖掘到1 000多个基因发生了差异甲基化修饰，这些基因直接或间接受到了ALKBH10B的影响。另外，拟南芥atALKBH9B积累在细胞质颗粒中，其与siRNA共定位并与P小体结合，表明atALKBH9B m6A去甲基化酶活性可能与mRNA沉默和/或mRNA衰变过程相关。atALKBH9B的去甲基化活性影响苜蓿花叶病毒（AMV）的感染性。

在番茄中，SlALKBH2可以结合番茄果实成熟所需的DNA去甲基化酶基因SlDML2的转录本，并通过m6A去甲基化调节其稳定性，SlALKBH2突变会降低SlDML2 mRNA的丰度并延迟果实成熟[30]。

2.3 识别蛋白

目前对于识别蛋白的相关报道较少。相关研究表明，拟南芥中ECT2与毛状体发育相关[31-32]。Scutenaire等[31]研究表明，ect2 m6A阅读活性的丧失会导致ect2缺失突变体的毛状体出现分支缺陷。 ECT2定位于细胞质，在热暴露时重新定位到应激颗粒，表明它控制细胞质中mRNA的命运。 Wei等[32]通过测序分析发现ECT2结合位点在靶基因的3’ UTR区强烈富集，并导致了植物特异性m6A基序，提示ECT2可能与RNA的3’ UTR加工有关。此外，有研究表明，ECT2通过结合m6A位点影响PTRE1和20S蛋白酶体亚基的表达从而微调蛋白酶体活性[33]。另一项研究表明，ECT2/3/4在调控叶片形态发育中起关键作用[34]。ECT2和ECT3单突变不会影响转基因植株的叶片表型。但是当ECT2和ECT3同时被突变后，突变植株表现出叶片发生延迟的现象，而ECT2、ECT3和ECT4三突变植株表现出的叶片发生延迟的程度比ect2/ect3双突变植株更严重，表明ECT2、ECT3和ECT4在控制发育时机方面起作用。

3 小結及展望

m6A甲基化修饰影响植物细胞中RNA稳定性、翻译、二级结构和转运，影响植物的胚胎发育及营养和生殖发育，也有研究表明m6A甲基化修饰与非生物胁迫相关[35]。近年来，随着检测m6A修饰的技术进步，例如利用免疫沉淀、化学标记和定点突变，结合新一代测序，在探索m6A修饰机制方面取得了重大进展。但仍有一些问题尚未解决：针对生物体中m6A修饰水平远低于RRACH丰度的问题，甲基化酶复合体如何选择靶基序进行甲基化;各甲基化组分之间的具体作用机制;甲基化修饰系统受什么信号调控整个过程;m6A修饰系统如何根据植物生长和发育阶段的不同而实现动态调控。解决这些问题，对于理解m6A甲基化修饰系统的复杂调控机制及其在植物生长发育过程中的分子作用机理，进而利用m6A甲基化修饰提高植物生产力、提高植物在不利以及有利的环境条件下的生存和适合性至关重要。

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