5月6日，美国芝加哥大学何川教授课题组与同济大学高亚威、高绍荣教授课题组共同在期刊Science上发表了题为“FTO mediates LINE1 m6A demethylation and chromatin regulation in mESCs and mouse development ”的研究论文。该研究发现在小鼠胚胎干细胞(mESCs)中，FTO介导长分散元件1(LINE1)RNA的m6A去甲基化，并调节LINE1 RNA的丰度和局部染色质状态，进而调控含有LINE1的基因转录水平。FTO介导的LINE1 RNA m6A去甲基化也在小鼠卵母细胞和胚胎发育过程中对染色质状态的形成和基因表达起调控作用。
N6 -甲基腺苷(m6A)是哺乳动物mRNA中最丰富的内部修饰。它是由一个writer复合体安装的，可以通过诸如脂肪量和肥胖相关蛋白(FTO)之类的eraser蛋白来“擦除”。但m6A擦除蛋白介导的动态去甲基化在这一调控中的作用，以及其在哺乳动物发育过程中的功能仍缺少深入研究。
为了揭示FTO的主要底物，研究人员获取了Fto-/-和野生型(WT)小鼠胚胎干细胞（mESCs）。并将其中的染色质相关调控RNA（carRNA）分为为启动子相关RNA(paRNA)、增强子RNA(eRNA)和转座因子转录的RNA(重复RNA)。在FtoKO细胞中大多数carRNA的m6A水平都很高，且其表达水平与m6A水平呈负相关。其中FTO降解导致的重复RNA的高甲基化和表达水平下调更明显。在m6a标记的重复RNA中，长分散元件1(LINE1)RNA有超甲基化峰数量最高，大多数m6A水平增加、丰度降低且总体表达水平降低，这说明LINE1 RNA上的m6A是mESCs中FTO的主要底物。并且mESC中Fto-/-引发2C基因上调和LINE1 RNA的降解加速，同时引发了LINE1 RNA合成速率下降，且m6A水平与LINE1 RNA表达呈负相关，转录活性的降低伴随了LINE1 RNA位点附近染色质修饰H3K4Me3和H3K27Ac的下降以及H3K9Me3的上升，同时相关区域的染色质开放程度明显下降。
LINE1 RNA的m6A是mESCs中FTO的主要底物（图片引自文献[1]）
研究还发现了FTO介导的LINE1 RNA m6A去甲基化与染色质状态之间的相互作用。主要机制为FTO消耗后，LINE1 RNA上m6A的增加可以促进YTHDCl的结合，这可以招募核衰减机制和组蛋白修饰剂，添加抑制组蛋白标记，导致LINE1 RNA丰度降低，染色质更加封闭。
Fto 敲除影响LINE1RNA丰度和局部染色质状态的机制（图片引自文献[1]）
敲除Fto后，含有LINE1 RNA的基因（称为LINEl-containing基因）表达下调，同时基因内LINE1 RNA 的m6A水平升高。进一步探索发现，Fto 敲除能够抑制基因内LINE1 RNA的顺式调控作用，表现为含有下调LINE1 RNA的基因的表达和转录水平显著降低。这可能是与这些基因座的H3K4Me3和H3K27Ac水平降低，Pol II结合水平升高，同时H3K9Me3水平升高有关。此外，在Fto 敲除的mESCs中，研究人员还观测到LINE1 RNA下降的同时，多个2C相关基因和逆转座子上调。为了验证FTO对LINE1 RNA的调控以及FTO-LINE1 RNA轴对基因表达顺式和反式调控是否依赖LINE1 RNA上m6A的擦除实现，研究人员设计了dCas13b-FTO与特异性靶标的sgRNA，并将它们转入Fto敲除细胞系，发现LINE1上m6A修饰的擦除能够LINE1 RNA的表达、促进染色质的开放，也能修复2C基因的过度激活以及下调LINE1-containing基因的转录抑制。
FTO调控LINE1 RNA表达和附近染色质状态以及对LINE1-containing基因表达的顺式调控（图片引自文献[1]）
敲除小鼠脑组织的Fto后，LINE1 RNA m6A水平升高，LINE1 RNA表达下降，染色质更加封闭。在mESC分化过程中，Fto 和LINE1 RNA丰度也有类似的趋势。进一步研究FTO在早期发育中的作用，发现敲除FTO后幼崽的出生率低。Fto-/-雌性小鼠显示卵巢缺陷和生育能力受损。Fto-/-小鼠的四周龄GV期（germinal vesicle）和卵母细胞数量有所下降，LINE1 RNA的表达显著降低，GV卵母细胞的染色质更封闭。研究人员进一步研究了WT、母系Fto缺陷、父系Fto缺陷和纯合Fto敲除胚胎。四组胚胎均能达到囊胚期(E3.5)，母系Fto缺失严重阻碍了蜕膜形成和E7.5胚胎的产生，纯合Fto缺失无法产生E7.5胚胎。发现双缺陷胚胎的LINE1反式调控的2C基因与逆转座子显著上调，LINE1顺式调控的编码基因转录活性下降。
最后应用dCas13b-wtFTO转入敲除FTO后的胚胎，发现胚胎染色质更开放，相关的LINE1 RNA表达水平升高，2C基因与逆转座子活性降低，含有LINEI RNA的基因的表达水平也有所升高。
FTO-LINE1 RNA轴在早期发育中起着关键作用（图片引自文献[1]）
本研究表明，在小鼠胚胎干细胞(mESCs)中，FTO介导长分散元件1(LINE1)RNA的m6A去甲基化，调节LINE1 RNA的丰度和局部染色质状态，进而调控LINE1包含的基因的转录。FTO介导的LINE1 RNA m6A去甲基化也在小鼠卵母细胞和胚胎发育过程中对染色质状态的形成和基因表达起调控作用。该研究对于解析哺乳动物及其发育中RNA m6A修饰动态调控的生物学功能，具有重要意义。
参考文献
1. Wei Jiangbo, Yu Xianbin, Yang Lei et al. FTO mediates LINE1 m6A demethylation and chromatin regulation in mESCs and mouse development [J]. Science, 2022.
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