METTL3介導(dǎo)的m6A甲基化譜調(diào)控肌肉干細(xì)胞成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換
2020年9月29日，《Cell Death Discovery》（IF: 7.109）雜志發(fā)表了題為“A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions”的研究論文，研究通過MeRIP-seq（m6A-seq）等實(shí)驗(yàn)鑒定了通過Mettl3在mRNA上的m6A沉積是否是體外和體內(nèi)肌肉特異性成體干細(xì)胞（MuSC）/成肌細(xì)胞狀態(tài)的調(diào)控因子。
標(biāo)題：A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions（METTL3介導(dǎo)的m6A甲基化譜調(diào)控肌肉干細(xì)胞成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換）
時(shí)間：2020.9.29
期刊：Cell Death Discovery
影響因子：IF 7.109
技術(shù)平臺(tái)：MeRIP-seq、RNA-seq、m6A液相色譜/質(zhì)譜（LC-MS）、RT-PCR等
項(xiàng)目設(shè)計(jì)
（1）樣本選�。�
Cg-Pax7 tm1（Cre / ERT2）Gaka / J小鼠（JAX：017763）與B6N.129S6-Gt（ROSA）26Sor tm1（CAG-tdTomato *，-EGFP）/ Ees / J小鼠雜交（ JAX：005304）產(chǎn)生小樹：Pax7 CreERT2；Rosa26 nTnG（以下稱為Pax7 nTnG）。Pax7 nTnG小鼠用于所有肌肉損傷實(shí)驗(yàn)。普遍表達(dá)熒光素酶的小鼠FVB-TG（CAG-luc, -GFP）L2G85Chco / J（JAX：008450, CMV-luc小鼠）被用于分離供體細(xì)胞進(jìn)行移植實(shí)驗(yàn)并被移植到免疫缺陷的NSG小鼠中（NOD. Cg-Prkdc scid Il2rg tm1Wjl / SzJ，JAX：005557）。
（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程圖：
研究目的
肌肉特異性成體干細(xì)胞(MuSCs)為骨骼肌再生所必需。為確保損傷后骨骼肌的有效再生，MuSCs必須經(jīng)歷從靜止?fàn)顟B(tài)被激活的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生大量增殖的成肌細(xì)胞，并繼續(xù)進(jìn)行終末分化，修復(fù)或替換受損的肌纖維，或者自我更新以重新填充靜止的細(xì)胞群。MUSC/成肌細(xì)胞狀態(tài)的變化伴隨著其轉(zhuǎn)錄譜的顯著動(dòng)態(tài)變化。此前研究已報(bào)道鑒定了成體干細(xì)胞系統(tǒng)中由m6A writers METTL3介導(dǎo)最豐富的內(nèi)部mRNA修飾N6-甲基腺苷(m6A)發(fā)生了變化，并通過改變這些細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜來調(diào)控細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換。本研究目的是確定通過METTL3的m6A修飾沉積是否在體外和體內(nèi)對(duì)MUSC/成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換起調(diào)節(jié)作用。研究使用液相色譜/質(zhì)譜（LC-MS）分析表明在體內(nèi)骨骼肌再生的早期階段，整體m6A水平增加；在體外C2C12成肌細(xì)胞從增殖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉只癄顟B(tài)時(shí)，整體m6A水平下降。使用m6A特異性RNA測(cè)序（MeRIP-seq）鑒定了m6A修飾的不同圖譜，區(qū)分了增殖狀態(tài)和分化狀態(tài)的C2C12成肌細(xì)胞。RNAi研究表明，降低m6A甲基轉(zhuǎn)移酶METTL3的活性水平可以降低整體m6A水平，并促進(jìn)C2C12成肌細(xì)胞過早分化。在移植前降低原代小鼠MuSC中的METTL3水平可以增強(qiáng)了其在原代移植時(shí)的植入能力，但其連續(xù)移植能力缺失�？傊�，本研究證明了METTL3可以調(diào)控MuSCs/成肌細(xì)胞中的m6A水平，并調(diào)控MuSCs/成肌細(xì)胞向不同細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。此外本研究為增殖和分化C2C12成肌細(xì)胞中的m6A修飾提供了第一個(gè)轉(zhuǎn)錄組圖譜，并揭示了可能調(diào)控MuSC/成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的新的基因。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
（1）在MuSC從增殖到分化過程中，整體m6A水平下降
圖1：m6A修飾在再生骨骼肌和C2C12成肌細(xì)胞中受動(dòng)態(tài)調(diào)控
（2）MeRIP-seq揭示了轉(zhuǎn)錄本特異性m6A修飾豐度的動(dòng)態(tài)變化，但未揭示轉(zhuǎn)錄本上m6A修飾位點(diǎn)的頻率變化
為了繪制由m6A標(biāo)記的轉(zhuǎn)錄組在成肌細(xì)胞從增殖轉(zhuǎn)換到分化時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，研究在GM和3d DM樣品中進(jìn)行了MeRIP-seq。MeRIP-seq證實(shí)了LC–MS數(shù)據(jù)，并揭示了在GM（相對(duì)于3d DM）樣品中m6A修飾的轉(zhuǎn)錄本富集。在GM和3d DM樣本中，m6A在轉(zhuǎn)錄本上的分布相似，最富集在編碼序列和3′區(qū)域的邊界區(qū)域。因此可以得出結(jié)論，m6A富集的整體和轉(zhuǎn)錄本特異性程序與維持成肌細(xì)胞在增殖狀態(tài)有關(guān)，并且這種作用并非受轉(zhuǎn)錄本上m6A修飾位點(diǎn)差異驅(qū)動(dòng)。
（3）單個(gè)轉(zhuǎn)錄本水平上的增殖特異性m6A譜的表征
MeRIP-seq分析顯示1607 個(gè)m6A peaks代表862個(gè)富含GM的特異性基因；通過倍數(shù)變化> 1.0（GM / 3d DM）確定RNA-seq數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)錄本表達(dá)的增加。MeRIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集之間受影響的分子功能通路的不完全重疊分析表明，GM期間m6A修飾的某些功能結(jié)果超出了增強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄本穩(wěn)定性和/或衰減。
圖2：MeRIP-seq分析將轉(zhuǎn)錄調(diào)控鑒定為C2C12成肌細(xì)胞增殖過程中m6A修飾的主要靶點(diǎn)
（4）個(gè)體轉(zhuǎn)錄水平上分化特異性m6A譜的表征
3d DM MeRIP-seq數(shù)據(jù)集中富集了m6A的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行了重復(fù)分析，鑒定出573 個(gè)m6A peaks與340個(gè)特異性基因相關(guān)，這些基因在3d DM與GM樣品中顯著富集。PANTHER GO-slim分子功能通路分析顯示，與轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)的分子功能通路比GM數(shù)據(jù)集中的更少。3d DM富集的最主要通路是微管結(jié)合（icrotubule binding）。與GM不同的是，MeRIP-seq數(shù)據(jù)集中鑒定的所有分子功能通路都包含RNA-seq數(shù)據(jù)集，這表明與GM相比，3d DM中與m6A修飾和轉(zhuǎn)錄豐度相關(guān)性更強(qiáng)。
圖3：MeRIP-seq分析將微管結(jié)合鑒定為C2C12成肌細(xì)胞分化過程中m6A修飾的主要靶標(biāo)
（5） Mettl3調(diào)控成肌細(xì)胞從增殖到分化的過渡
假設(shè)由于活性m6A writers Mettl3表達(dá)增加，m6A水平在GM樣品中富集。為了模擬再生過程中的MuSC活性，培養(yǎng)C2C12成肌細(xì)胞和原代小鼠成肌細(xì)胞，然后通過血清限制促使其在體外分化；分化開始后，C2C12成肌細(xì)胞（圖4a）和原代小鼠成肌細(xì)胞（圖4b）中的Mettl3表達(dá)水平顯著下降。
為確定單獨(dú)m6A修飾沉積是否足以啟動(dòng)分化，用靶向Mettl3的siRNA處理C2C12成肌細(xì)胞，其成功地降低m6A修飾，而Mettl3敲低會(huì)減少細(xì)胞計(jì)數(shù)。還評(píng)估了Mettl3敲低對(duì)與增殖（Pax7）、早期分化（Myod1）和晚期分化（Myog）相關(guān)的MRF影響。Mettl3敲低后Myod1和Myog的基因表達(dá)顯著增加，且顯著增加表達(dá)eMHC的C2C12成肌細(xì)胞數(shù)量（eMHC是終末分化標(biāo)志物），這些數(shù)據(jù)支持一種模型，在該模型中，增殖的C2C12成肌細(xì)胞中的Mettl3敲低可降低m6A修飾的整體水平并導(dǎo)致成肌細(xì)胞的過早分化。
圖4：Mettl3敲低促進(jìn)成肌細(xì)胞過早分化
（6）Mettl3基因敲低影響原發(fā)性MuSC植入
當(dāng)在移植前將Mettl3敲低時(shí)，移植的MuSC植入和生物發(fā)光表達(dá)的可能性得到改善。
圖5：Mettl3敲低增強(qiáng)了初次移植后的MuSC植入
參考文獻(xiàn)：
Gheller BJ, Blum JE, Fong EHH, Malysheva OV, Cosgrove BD, Thalacker-Mercer AE. A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions. Cell Death Discov. 2020;6(1):95.
標(biāo)題：A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions（METTL3介導(dǎo)的m6A甲基化譜調(diào)控肌肉干細(xì)胞成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換）時(shí)間：2020.9.29
期刊：Cell Death Discovery
影響因子：IF 7.109
技術(shù)平臺(tái)：MeRIP-seq、RNA-seq、m6A液相色譜/質(zhì)譜（LC-MS）、RT-PCR等
項(xiàng)目設(shè)計(jì)
（1）樣本選�。�
Cg-Pax7 tm1（Cre / ERT2）Gaka / J小鼠（JAX：017763）與B6N.129S6-Gt（ROSA）26Sor tm1（CAG-tdTomato *，-EGFP）/ Ees / J小鼠雜交（ JAX：005304）產(chǎn)生小樹：Pax7 CreERT2；Rosa26 nTnG（以下稱為Pax7 nTnG）。Pax7 nTnG小鼠用于所有肌肉損傷實(shí)驗(yàn)。普遍表達(dá)熒光素酶的小鼠FVB-TG（CAG-luc, -GFP）L2G85Chco / J（JAX：008450, CMV-luc小鼠）被用于分離供體細(xì)胞進(jìn)行移植實(shí)驗(yàn)并被移植到免疫缺陷的NSG小鼠中（NOD. Cg-Prkdc scid Il2rg tm1Wjl / SzJ，JAX：005557）。
（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程圖：
研究目的肌肉特異性成體干細(xì)胞(MuSCs)為骨骼肌再生所必需。為確保損傷后骨骼肌的有效再生，MuSCs必須經(jīng)歷從靜止?fàn)顟B(tài)被激活的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生大量增殖的成肌細(xì)胞，并繼續(xù)進(jìn)行終末分化，修復(fù)或替換受損的肌纖維，或者自我更新以重新填充靜止的細(xì)胞群。MUSC/成肌細(xì)胞狀態(tài)的變化伴隨著其轉(zhuǎn)錄譜的顯著動(dòng)態(tài)變化。此前研究已報(bào)道鑒定了成體干細(xì)胞系統(tǒng)中由m6A writers METTL3介導(dǎo)最豐富的內(nèi)部mRNA修飾N6-甲基腺苷(m6A)發(fā)生了變化，并通過改變這些細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜來調(diào)控細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換。本研究目的是確定通過METTL3的m6A修飾沉積是否在體外和體內(nèi)對(duì)MUSC/成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換起調(diào)節(jié)作用。研究使用液相色譜/質(zhì)譜（LC-MS）分析表明在體內(nèi)骨骼肌再生的早期階段，整體m6A水平增加；在體外C2C12成肌細(xì)胞從增殖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉只癄顟B(tài)時(shí)，整體m6A水平下降。使用m6A特異性RNA測(cè)序（MeRIP-seq）鑒定了m6A修飾的不同圖譜，區(qū)分了增殖狀態(tài)和分化狀態(tài)的C2C12成肌細(xì)胞。RNAi研究表明，降低m6A甲基轉(zhuǎn)移酶METTL3的活性水平可以降低整體m6A水平，并促進(jìn)C2C12成肌細(xì)胞過早分化。在移植前降低原代小鼠MuSC中的METTL3水平可以增強(qiáng)了其在原代移植時(shí)的植入能力，但其連續(xù)移植能力缺失�？傊�，本研究證明了METTL3可以調(diào)控MuSCs/成肌細(xì)胞中的m6A水平，并調(diào)控MuSCs/成肌細(xì)胞向不同細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。此外本研究為增殖和分化C2C12成肌細(xì)胞中的m6A修飾提供了第一個(gè)轉(zhuǎn)錄組圖譜，并揭示了可能調(diào)控MuSC/成肌細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的新的基因。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
（1）在MuSC從增殖到分化過程中，整體m6A水平下降
圖1：m6A修飾在再生骨骼肌和C2C12成肌細(xì)胞中受動(dòng)態(tài)調(diào)控（2）MeRIP-seq揭示了轉(zhuǎn)錄本特異性m6A修飾豐度的動(dòng)態(tài)變化，但未揭示轉(zhuǎn)錄本上m6A修飾位點(diǎn)的頻率變化
為了繪制由m6A標(biāo)記的轉(zhuǎn)錄組在成肌細(xì)胞從增殖轉(zhuǎn)換到分化時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，研究在GM和3d DM樣品中進(jìn)行了MeRIP-seq。MeRIP-seq證實(shí)了LC–MS數(shù)據(jù)，并揭示了在GM（相對(duì)于3d DM）樣品中m6A修飾的轉(zhuǎn)錄本富集。在GM和3d DM樣本中，m6A在轉(zhuǎn)錄本上的分布相似，最富集在編碼序列和3′區(qū)域的邊界區(qū)域。因此可以得出結(jié)論，m6A富集的整體和轉(zhuǎn)錄本特異性程序與維持成肌細(xì)胞在增殖狀態(tài)有關(guān)，并且這種作用并非受轉(zhuǎn)錄本上m6A修飾位點(diǎn)差異驅(qū)動(dòng)。
（3）單個(gè)轉(zhuǎn)錄本水平上的增殖特異性m6A譜的表征
MeRIP-seq分析顯示1607 個(gè)m6A peaks代表862個(gè)富含GM的特異性基因；通過倍數(shù)變化> 1.0（GM / 3d DM）確定RNA-seq數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)錄本表達(dá)的增加。MeRIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集之間受影響的分子功能通路的不完全重疊分析表明，GM期間m6A修飾的某些功能結(jié)果超出了增強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄本穩(wěn)定性和/或衰減。
圖2：MeRIP-seq分析將轉(zhuǎn)錄調(diào)控鑒定為C2C12成肌細(xì)胞增殖過程中m6A修飾的主要靶點(diǎn)（4）個(gè)體轉(zhuǎn)錄水平上分化特異性m6A譜的表征
3d DM MeRIP-seq數(shù)據(jù)集中富集了m6A的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行了重復(fù)分析，鑒定出573 個(gè)m6A peaks與340個(gè)特異性基因相關(guān)，這些基因在3d DM與GM樣品中顯著富集。PANTHER GO-slim分子功能通路分析顯示，與轉(zhuǎn)錄調(diào)控相關(guān)的分子功能通路比GM數(shù)據(jù)集中的更少。3d DM富集的最主要通路是微管結(jié)合（icrotubule binding）。與GM不同的是，MeRIP-seq數(shù)據(jù)集中鑒定的所有分子功能通路都包含RNA-seq數(shù)據(jù)集，這表明與GM相比，3d DM中與m6A修飾和轉(zhuǎn)錄豐度相關(guān)性更強(qiáng)。
圖3：MeRIP-seq分析將微管結(jié)合鑒定為C2C12成肌細(xì)胞分化過程中m6A修飾的主要靶標(biāo)（5） Mettl3調(diào)控成肌細(xì)胞從增殖到分化的過渡
假設(shè)由于活性m6A writers Mettl3表達(dá)增加，m6A水平在GM樣品中富集。為了模擬再生過程中的MuSC活性，培養(yǎng)C2C12成肌細(xì)胞和原代小鼠成肌細(xì)胞，然后通過血清限制促使其在體外分化；分化開始后，C2C12成肌細(xì)胞（圖4a）和原代小鼠成肌細(xì)胞（圖4b）中的Mettl3表達(dá)水平顯著下降。
為確定單獨(dú)m6A修飾沉積是否足以啟動(dòng)分化，用靶向Mettl3的siRNA處理C2C12成肌細(xì)胞，其成功地降低m6A修飾，而Mettl3敲低會(huì)減少細(xì)胞計(jì)數(shù)。還評(píng)估了Mettl3敲低對(duì)與增殖（Pax7）、早期分化（Myod1）和晚期分化（Myog）相關(guān)的MRF影響。Mettl3敲低后Myod1和Myog的基因表達(dá)顯著增加，且顯著增加表達(dá)eMHC的C2C12成肌細(xì)胞數(shù)量（eMHC是終末分化標(biāo)志物），這些數(shù)據(jù)支持一種模型，在該模型中，增殖的C2C12成肌細(xì)胞中的Mettl3敲低可降低m6A修飾的整體水平并導(dǎo)致成肌細(xì)胞的過早分化。
圖4：Mettl3敲低促進(jìn)成肌細(xì)胞過早分化（6）Mettl3基因敲低影響原發(fā)性MuSC植入
當(dāng)在移植前將Mettl3敲低時(shí)，移植的MuSC植入和生物發(fā)光表達(dá)的可能性得到改善。
圖5：Mettl3敲低增強(qiáng)了初次移植后的MuSC植入參考文獻(xiàn)：
Gheller BJ, Blum JE, Fong EHH, Malysheva OV, Cosgrove BD, Thalacker-Mercer AE. A defined N6-methyladenosine (m6A) profile conferred by METTL3 regulates muscle stem cell/myoblast state transitions. Cell Death Discov. 2020;6(1):95.
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