卵巢是女性重要的生殖器官,也是最早表现出衰老迹象的器官之一,通常在35岁左右开始,卵巢衰老(ovarian aging,OA)是导致与年龄相关的不孕问题的重要因素,包括卵泡数量和卵子质量的逐渐下降,对女性生育能力构成威胁。m6A是一种普遍存在的RNA表观遗传修饰,已在多种生理和病理背景下显示出重要作用。m6A与组蛋白修饰之间的调控机制以及m6A在卵巢发育和衰老中的作用尚不清楚。
2024年10月15日,南京医科大学黄伯贤团队以“The N6-methyladenosine landscape of ovarian development and aging highlights the regulation by RNA stability and chromatin state”为题在老年病学高分SCI《Aging Cell》上发表科研成果,研究通过m6A MeRIP-seq等实验揭示卵巢发育和衰老过程中N6-甲基腺苷(m6A)甲基化谱,阐明了m6A修饰在OA进展中的表观遗传调控机制。
标题:The N6-methyladenosine landscape of ovarian development and aging highlights the regulation by RNA stability and chromatin state(卵巢发育和衰老的m6A 甲基化谱揭示RNA稳定性和染色质状态调控)
期刊:Aging Cell
影响因子:8
技术平台:MeRIP-seq等
研究首先通过m6A甲基化测序技术MeRIP-seq揭示了m6A修饰在卵巢衰老(OA)过程中高表达,这与m6A去甲基化酶FTO减少和m6A甲基化酶METTL16过表达相关。接下来,作者利用FTO基因敲除(KO)小鼠模型和KGN细胞系的研究,同样揭示了FTO缺失和METTL16过表达显著增加了m6A修饰水平。这些变化会导致甲基转移酶SUV39H1下调,进而下调H3K9me3表达。SUV39H1和H3K9me3的下调主要激活了LTR7和LTR12,随后激活ERV1,从而导致细胞增殖减少,而OA中的细胞凋亡、细胞衰老标志物和自噬标志物水平显著增加。总之,本研究为m6A在调控DNA表观遗传学中的角色提供了有趣的见解,包括H3K9me3和TEs,以及自噬,从而加速OA。
研究方法:
研究使用了多种技术,包括m6A RNA免疫沉淀测序(MeRIP-seq)、基因敲除(KO)、过表达(OE)和敲低(KD)等方法。
采用m6A RNA免疫沉淀测序(MeRIP-seq)分析10个人卵巢样本的m6A修饰水平。
使用FTO-KO小鼠模型和KGN细胞系来研究FTO缺失和METTL16过表达对m6A水平的影响。
通过western blot、免疫荧光染色、电子显微镜分析等技术来评估卵巢功能和衰老标志物。
结果图形
(1)卵泡发育和OA中m6A转录组范围内的整体差异分析
研究者对10个人类卵巢样本进行了m6A-MeRIP-seq分析,这些样本被分为四个阶段:胎儿期(Fet)、年轻期(Yng)、老年期(Old)和绝经期(Mop)。
图1:在人卵巢不同阶段的转录组m6A的整体差异分析。
(a) 人卵巢动态微观结构和m6A MeRIP-seq测序示意图。
(b) 人卵巢匹配样本间m6A水平的皮尔逊相关热图。
(c) 在人卵巢不同阶段富集的m6A峰值和基因数量。
(d) 在卵巢发育(OD,从胎儿期到年轻期)、卵巢功能下降(OFD,从年轻期到老年期)和卵巢衰老(OA,从老年期到绝经期)期间获得和丢失m6A的基因数量。
(e) 在OD、OFD和OA期间获得和丢失的m6A峰值数量。
(f) OD、OFD和OA期间m6A基因表达水平箱线图。
(g) OD、OFD和OA期间mRNA表达水平的箱线图。
(h) OD、OFD和OA期间重叠的m6A和mRNA水平的系数相关性分析。
(i) OD、OFD和OA阶段差异表达的m6A基因的维恩图(p<0.05)。
(j) OD、OFD和OA阶段比较207个基因的m6A和mRNA水平。
(k) 模糊C均值聚类鉴定了m6A基因的四种不同的时间模式。x轴代表四个阶段,而y轴代表每个阶段的log2转换、标准化强度比率。
(2)在极端卵巢衰老期间,N6-甲基腺苷(m6A)在内源性逆转录病毒(ERVs)上的高富集情况
图2:在四个不同阶段的逆转录病毒RNA的m6A甲基化和转录组分析概况。
(a, b) 在胎儿期(Fet)、年轻期(Yng)、老年期(Old)和绝经期(Mop)中,逆转录病毒RNA的m6A和转录组的表达水平。
(c) 人卵巢匹配样本之间逆转录病毒RNA的m6A水平的皮尔逊相关热图。
(d) 在四个组中,带有m6A修饰的不同类型逆转录病毒RNA的百分比。
(e) 相邻阶段之间带有和不带有m6A修饰的逆转录病毒RNA的维恩图。
(f) 在卵巢发育(OD)、卵巢功能下降(OFD)和卵巢衰老(OA)期间,常见逆转录病毒与m6A和RNA表达水平之间的相关性分析。
(g) 在OD、OFD和OA期间逆转录病毒中m6A和RNA表达水平的箱线图。
(h) 在胎儿期、年轻期、老年期和绝经期中,ERV1、ERVL-MaLR和ERVL的m6A RIP和input信号的平均概况。
(3)FTO基因敲除介导m6A修饰增加,进而影响自噬通量和卵巢衰老(OA)。
图3:FTO基因敲除(FTO-KO)影响卵母细胞(卵泡)发育潜力。
(a–c) 来自FTO-KO和野生型(WT)小鼠的GV期和MII期卵母细胞的数量。
(d)
FTO-KO和WT卵母细胞中γ-H2AX(红色)和FTO(绿色)的染色图像。
(e)
FTO-KO和WT卵母细胞中每个卵母细胞的γ-H2AX焦点数量(***p<0.001)。
(f)
FTO-KO和WT卵母细胞中染色体(红色)和纺锤体(绿色)的染色图像。
(g)
FTO-KO和WT卵母细胞中纺锤体和染色体缺陷的百分比(***p<0.001)。
(h)
FTO-KO和WT小鼠的卵巢大小。
(i)
FTO-KO和WT小鼠卵巢重量与体重的比例(***p<0.001)。
(j)
FTO-KO和WT卵巢的HE染色(比例尺,500微米)。
(k,
l) FTO-KO和WT组中FTO(红色)、VASA(绿色)和GDF9(绿色)的相对荧光素酶活性(***p<0.001)。
(4)FTO基因敲除诱导细胞凋亡并调控逆转录病毒RNA的m6A水平
图4:FTO基因敲除(FTO-KO)介导细胞凋亡并影响逆转录病毒RNA m6A水平。
(a) 六月龄FTO-KO和野生型(WT)小鼠卵巢中总RNA样本的m6A斑点印迹。
(b) FTO-KO和WT小鼠之间m6A修饰基因的维恩图。
(c) FTO-KO组与WT小鼠相比的特异性m6A修饰基因皮尔逊相关性热图。
(d) FTO-KO和WT小鼠中4232个重叠基因在启动子区域的m6A信号强度。
(e) FTO-KO和WT小鼠中4232个重叠基因的mRNA表达水平的箱线图。
(f) 火山图显示FTOKO和WT小鼠中差异表达的m6A基因。x轴代表log2转换的倍数变化,而y轴代表log10标准化的p值。
(g) 312个差异表达的m6A修饰基因的GO分析。
(h, i) 在Wnt和凋亡信号通路中m6A和mRNA水平的皮尔逊相关系数。
(j, k) FTO-KO和WT小鼠中切割Caspase 9和Bad的蛋白表达(*p<0.05, ***p<0.001)。
(l) FTO-KO和WT小鼠中ERV1的m6A RIP和input信号的平均概况。
(5)FTO基因敲除调控卵巢衰老(OA)中的SUV39H1-H3K9me3-ERV轴
图5:FTO基因敲低(FTO-KD)在卵巢衰老期间影响了SUV39H1-H3K9me3-ERV轴。
(a, b) FTO-KD和空载体(EV)KGN细胞系中FTO蛋白的表达(***p<0.001)。
(c, d) FTO-KD和EV组新合成RNA的荧光素酶强度信号(***p<0.001)。
(e) FTO-KD和EV组中m6A修饰基因的皮尔逊相关性热图。
(f) FTO-KD和EV组中差异表达的m6A基因散点图。
(g) FTO-KD和EV组中差异表达的m6A修饰基因的GO分析。
(h, i) FTO-KD和EV KGN细胞系中H3K9me3蛋白的表达(*p<0.05)。
(j) FTO-KD和EV组中差异TEs上的H3K9me3信号的平均值。
(k) FTO-KD和EV组中增加和减少的TEs上的H3K9me3信号。
(l) FTO-KD和EV组中增加的ERVK、ERV1和ERVL上的H3K9me3信号的平均值。EV,empty
vector。
(6)METTL16过表达在卵巢衰老(OA)中调控SUV39H1-H3K9me3-ERV轴。
图6:METTL16过表达在卵巢衰老中调控SUV39H1-H3K9me3-ERVs轴。
(a, b) M16-OE和EV
KGN细胞系中METTL16蛋白的表达(***p <
0.001)。
(c, d) M16-OE和EV组新合成RNA的荧光素酶强度信号(***p < 0.001)。
(e) M16-OE和EV组中m6A修饰基因的皮尔逊相关性热图。
(f) M16-OE和WT组中差异表达的m6A基因散点图。
(g) M16-OE和EV组中差异表达的m6A修饰基因的GO分析。
(h, i) M16-OE和EV
KGN细胞系中H3K9me3蛋白的表达(**p <
0.01)。
(j) M16-OE和EV组中差异TEs上的H3K9me3信号的平均值。
(k) M16-OE和EV组中增加和减少的TEs上的H3K9me3信号。
(l) M16-OE和EV组中增加的ERVK、ERV1和ERVL上的H3K9me3信号的平均值。
(7)m6A高甲基化诱导ERV1激活,从而导致卵巢衰老(OA)。
图7:由m6A高甲基化诱导的ERV1激活是卵巢衰老的诱导因子。
(a) FTO-KD和M16-OE组中差异表达的m6A修饰基因(p<0.05)的维恩图分析。
(b) FTO-KD组中前三大m6A motif。
(c) FTO-KD和M16-OE组在不同基因组区域共有m6A峰值比例。
(d) M16-OE和FTO-KD细胞系中共有增加的TEs上的H3K9me3信号平均值。
(e) M16-OE和FTO-KD细胞系中共有减少的TEs上的H3K9me3信号平均值。
(f) FTO-KD组中差异表达的TEs的散点图。
(g) FTO-KD组中表达变化的七个ERV1亚家族,其FC>2。
(h,i) sgLTR12和sgLTR7细胞中增殖标记KI67的免疫荧光染色(***p<0.001)。
(j,k) sgLTR12和sgLTR7细胞中衰老标记SA-β-gal的染色结果(***p<0.001)。
(l,m) sgLTR12和sgLTR7细胞中衰老蛋白p21和p53的表达(*p<0.05,
**p<0.01)。
研究局限:
FTO作为一种RNA去甲基化酶,可以去除如N6-甲基腺苷(m6A)、N6-2-O-二甲基腺苷(m6Am)和N1-甲基腺苷(m1A)这样的甲基基团。本研究仅集中研究了FTO通过m6A修饰调控卵巢衰老(OA)的机制。未来的研究可以更深入地探讨FTO如何影响m6Am和m1A修饰,以阐明这一生理过程的多方面特征。
参考文献:
HuX, Lu J, Ding C, Li J, Zou Q, Xia W, Qian C, Li H, Huang B. TheN6-methyladenosine landscape of ovarian development and aging highlights theregulation by RNA stability and chromatin state. Aging Cell. 2024 Oct15:e14376. doi: 10.1111/acel.14376. PubMed PMID: 39410722.
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