近日，南京農業大學菊花遺傳與種質創新團隊在《Genome Biology》期刊發表了題為“mRNA m⁶A regulates gene expression via H3K4me3 shift in 5’ UTR”的研究論文，揭示了m⁶A（N⁶-甲基腺苷）修飾在5'非翻譯區（5' UTR）調控組蛋白H3K4me3的移位來影響基因表達，進而調控葉片衰老的新機制。這一調控機制在擬南芥、水稻和菊花中高度保守，為植物表觀修飾調控葉片衰老提供了新見解。

m⁶A是真核生物中最常見且保守的RNA修飾之一，廣泛參與基因表達調控。以往研究主要聚焦于m⁶A在3' UTR的功能，而其在5' UTR的作用及其與組蛋白修飾的關系尚不明確。葉片衰老不僅影響作物的產量和品質，還決定了觀賞植物的觀賞價值和商品價值，然而m⁶A修飾調控葉片衰老的分子機制鮮有報道。該團隊研究發現，5' UTR區域的m⁶A甲基化修飾能夠觸發鄰近組蛋白H3K4me3修飾的移位，進而調控下游基因表達影響葉片衰老。

研究團隊通過對雙子葉模式植物擬南芥、單子葉模式植物水稻以及復雜基因組園藝植物菊花的轉錄組和meRIP-seq數據的深入分析，發現m⁶A修飾在5' UTR區域的富集與基因表達的抑制密切相關。進一步分析表明，絕大多數m⁶A修飾的基因都是組蛋白H3K4me3修飾的靶基因。通過整合分析三個物種的meRIP-seq和H3K4me3 ChIP-seq數據，研究團隊發現mRNA 5' UTR區域的m⁶A修飾能夠影響編碼該基因的DNA區域H3K4me3 ChIP-seq信號的移位，從而精細調控靶基因表達，說明mRNA修飾與組蛋白修飾間存在密切互作。

為深入探究m⁶A修飾與組蛋白修飾之間的互作機制，研究團隊克隆并分析了m⁶A修飾酶MTA、H3K4me3修飾酶ATX1與RNA聚合酶II（RNA Pol II）之間的相互作用。研究發現三者之間存在兩兩互作，且MTA與ATX1競爭性地結合RNA Pol II，尤其是競爭結合RNA Pol II第5位絲氨酸被磷酸化（Ser5P）的CTD結構域。此外，研究還發現m⁶A去甲基化酶ALKBH10B也與MTA競爭互作CTD結構域。鑒于CTD的Ser5P修飾在基因的轉錄起始和早期延伸過程中的關鍵調控作用，研究團隊提出了以下調控模型（見附圖）：在轉錄起始或早期延伸過程中，m⁶A甲基轉移酶MTA優先結合RNA Pol II的Ser5P-CTD結構域以增加新合成mRNA 5’UTR區域的m⁶A修飾，同時競爭性地取代ATX1，從而減少H3K4me3修飾，導致轉錄起始或早期延伸效率下降；隨著轉錄的進行，ALKBH10B與MTA競爭結合RNA Pol II，降低5’UTR區域外的m⁶A修飾，進而重新招募ATX1恢復H3K4me3修飾。這種ATX1與RNA Pol II的動態結合最終導致H3K4me3修飾的移位。

借助前期建立的“園藝作物關鍵基因挖掘多組學聯合分析平臺”（Cheng et al., Plant J, 2023, 116(4):1018-1029），研究團隊挖掘到下游調控基因SBPASE，并通過遺傳學、分子生物學等實驗進一步驗證了m⁶A在5' UTR的修飾可通過調控H3K4me3的移位來影響該基因表達和葉片衰老。這項研究不僅揭示了m⁶A修飾在5' UTR區域的新功能，還為理解m⁶A與組蛋白修飾之間的相互作用提供了新視角，并提出了植物葉片衰老調控的新機制，為未來研究m⁶A修飾在植物生長發育中的功能奠定了的理論基礎。

博士研究生楊玉娜為論文第一作者，王利凱教授為論文通訊作者。蔣甲福教授、陳素梅教授和陳發棣教授，以及博士研究生黃雨晴、碩士研究生王甜和李松博士為共同作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。

陳發棣教授領銜的菊花遺傳育種與種質創新團隊長期從事菊花應用基礎研究，已在Nature Communications、Molecular Plant、Genome Biology、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology、Plant Cell & Environment、Journal of Experimental Botany、Plant Journal等期刊發表了多篇研究論文。