脆性X综合征(FXS)是一种以智力残疾、发育迟缓、社交障碍等为特征的遗传疾病。FMRP是一种存在于大多数细胞中的RNA结合蛋白，其在神经元中被认为通过调节mRNA表达来控制活动依赖性突触重塑，并在突触后位点定位。尽管有研究揭示了FMRP阻止核糖体的分子机制，但FMRP如何阻止特定mRNAs上的核糖体仍然未知。
美国麻省大学医学院Sneha Shah研究组在Cell Reports 上发表了文章FMRP Control of Ribosome Translocation Promotes Chromatin Modifications and Alternative Splicing of Neuronal Genes Linked to Autism。为了解决无法稳定区分易位核糖体和停滞核糖体的问题，作者及其团队开发了一种海马体切片检测方法，用于检测mRNAs特异性核糖体易位动力学。
作者使用了几种方法来研究FMRP对小鼠大脑中mRNA表达的调控。首先，作者关注的是海马切片中的稳态核糖体谱。作者发现Fmr1缺陷导致核糖体足迹水平主要反映RNA水平的改变。然而，由于稳态核糖体分析无法区分静态核糖体和易位核糖体，因此作者修改了分析程序，以确定海马切片中全基因组核糖体易位率的动态范围。
为了确定WT组织切片中所有表达基因的核糖体易位率的差异，作者使用同杉碱(HHT)阻断起始，然后在不同时间点对海马皮质切片进行核糖体分析和RNA测序。作者发现，具有特定功能的mRNA簇具有不同的核糖体转运率，mRNA根据其相关核糖体的转运速率聚集成定义的功能生物学组。大多数mRNA (＞5,000)上的核糖体转运迅速，而在某些mRNA (-3,000)上，核糖体转运缓慢或几乎不转运(-350)(图1)。此外，核糖体转运速率还依赖于CDS的长度。
图1 WT小鼠脑切片径流核糖体谱分析
为了研究FMRP是否控制特定mRNA上的核糖体延迟，作者首先确定FMRP与重组核糖体有关，因此可能在核糖体停滞中起作用。作者使用核糖体径流和蔗糖梯度离心的组合，鉴定了与FMRP停滞核糖体相关的约50个mRNA。其中一种mRNA编码组蛋白赖氨酸甲基转移酶SETD2，Fmr1 KO海马中表达水平升高。
图2 H3K36me3在Fmr1 KO海马中的定位改变
SETD2是主要的组蛋白赖氨酸甲基转移酶，它可以将赖氨酸36(K36)上的组蛋白H3尾部三甲基化。H3K36me3是一种广泛富集在基因体中的组蛋白标记。为了研究SETD2水平的改变是否会影响H3K36me3在特定基因上的变化，作者对WT和Fmr1 KO海马进行了重复ChIP-seq实验(图2)。实验结果表明，Fmr1 KO小鼠海马中Reep4(受体表达增强蛋白4)上的H3K36me3减少，而Tprkb (tp53相关蛋白激酶结合蛋白)上的H3K36me3升高。H3K36me3减少的岛较少，主要存在于基因内区域；而H3K36me3增加的岛更多，存在于基因内和基因间区域，这表明H3K36me3在FXS模型小鼠中发生了重排。值得注意的是，具有增加的H3K36me3岛的基因与神经功能（如突触组装和动物行为）密切相关。而H3K36me3岛减少的基因组中没有显著的氧化石墨烯项富集。这项研究的数据表明，Fmr1 KO小鼠中SETD2水平的增加主要导致基因子集上H3K36me3染色质标记的增加。
图3 可选拼接事件的重叠
考虑到H3K36me3与哺乳动物的替代RNA加工相关，作者对RNA-seq数据进行了分析。实验结果表明，在Fmr1 KO小鼠海马中存在普遍的异常剪接，其中最显著的是外显子跳跃/包含。这些RNA剪接变化通常与组蛋白标记的变化相关，发生在调节突触前功能的基因上，如突触囊泡再循环，并且与自闭症谱系障碍密切相关(图3)。
图4
总之，作者发现 FMRP 控制特定 mRNA 上的核糖体动力学，导致翻译增强(例如SETD2) ，进而导致染色质修饰增加(例如 H3K36me3) ，这可能会影响神经元 mRNA 的选择性剪接。然而，这些观察并不排除 FMRP 直接参与其中一些事件的可能性。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.02.076
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