未来科学大奖周科学峰会RNA生物学，未来医疗新方向专题，我们特别邀请到未来科学大奖科学委员会委员、芝加哥大学讲座教授、美国霍华德·休斯医学研究所研究员何川教授作专题分享《RNA甲基化在生物医学和农业里的未来前景》，何川教授开发了DNA表观遗传学中DNA修饰碱基5-羟甲基胞嘧啶和5-醛基胞嘧啶等的检测和测序方法，是“RNA表观遗传学”这个全新领域的发起人，曾获多项国际荣誉。
何川：今天非常高兴有这个机会能给大家分享一下我们最近的工作，尤其是RNA生物学方面的一些工作。
大家都知道，每个人的人体里面有几十万亿的细胞，有多个不同的组织和细胞的形态。人体非常复杂，我们有创伤可以修复，可以干各种各样的事，但是这几十万亿的细胞都是从一个受精卵来的，导致的结果就是不管是脑袋里的细胞，肝脏里的细胞，皮肤上的细胞，一个人身上的细胞DNA基因组织序列基本上是相同的，如果基因组织序列相同的话为什么这些细胞有完全不同的形态呢？一个主要原因就是这些细胞里面虽然基因组织序列相同，但是在不同的细胞形态里面基因组有不同的化学修饰。在DNA有甲基化的修饰，还有组蛋白可以把DNA包裹起来，这上面也有不同的化学修饰，这些化学修饰的模式在不同细胞类型里面完全不一样，导致了不同的细胞类型里面基因的表达不一样。
RNA表观遗传学概念的提出
大家如果有这么一个基因的话，这个基因在不同细胞里面它的表达不一样，虽然它的整个序列是一样的，但是在它前端的这些promoter、enhancer上面这些甲基化，DNA上面的甲基化和组蛋白上面的化学修饰可以调整或者调控基因表达。这个叫表观遗传学，在过去几十年里面已经被各种各样学者做了深入研究，我们现在基本很清楚在DNA层面上和组蛋白的层面上这些表观遗传的化学修饰可以调控不同层次的基因表达。
图一表观遗传学图解
在年我们实验室提出了一个新的概念，我们叫RNA的表观遗传学，什么意思呢？我们觉得在中心法则里面，RNA上有各种各样的化学修饰，这些化学修饰也应该调控基因表达。
图二RNA表观遗传学的提出
如果大家看一下这个信使RNA（MessengerRNA，mRNA），大家知道中心法则里面DNA到ｍRNA，ｍRNA到蛋白。ｍRNA上也有不同的化学修饰，在哺乳动物里面这个叫m6A的修饰是最多的，这个修饰在年的时候就被发现了，但是以前大家也知道，有一个酶叫METTL3，它介导m6A甲基化，但是过了将近30到40年，其实大家对它真正到底是干什么的，修饰到底起到什么作用，是什么机理并不完全清楚，其实基本上没有什么太多的了解。
RNA甲基化的功能及相关作用元件的发现之旅
在年的时候贾桂芳教授，贾桂芳教授现在在北京大学，她当时在我实验室做博后，发现了第一个RNA的去甲基化酶，就是去除这个m6A，这个去甲基化酶叫FTO，我一会儿还回到这个酶。年我们发现了第二个去甲基化酶，ALKBH5，这两个去甲基化酶在人体里面都有非常重要的功能，如果没有FTO的话这个人是活不了的，没有ALKBH5的话人和动物就没有办法繁殖。
在年、年，我实验室的王潇和其它成员，王潇现在在麻省理工做教授，表证了几个识别器，你如果有这个甲基化的话，它的生物的功能是怎么体现的呢？它是通过一系列的蛋白来识别这个RNA上的甲基化，像YTHDF2、YTHDF1、YTHDF3，它识别这个m6A，来调控RNA的稳定性和RNA的翻译。今天我会集中在YTHDF2给大家讲，讲一个故事。在讲这个之前我还要说另外一个很重要的发现，年在以色列，两个组把METTL3就是甲基化的识别酶给敲除之后，发现老鼠在非常早的早期的胚胎的时候就死亡了，非常非常早的胚胎时期，如果没有METTL3的话，动物的干细胞没法分化。在这个研究之后，接下来的几年里面大家发现所有干细胞里面，不管神经干细胞也好，是皮肤干细胞也好，或者是nave的T细胞没有m6A都发现了很大的紊乱，差不多所有多个不同的细胞形态和组织形态里头没有m6A的话，你都没有办法得到最后发育的组织，m6A对哺乳动物的细胞分化和发育至关重要。
这个原因在哪呢？有很多层原因，在大概过去几年时间里面大家普遍认为YTHDF2识别器识别m6A可能有一个重要的作用，它是干什么的呢？它是识别一群成百甚至上千的被甲基化的RNA然后把它降解掉，在发育的过程中它有一个非常有意思的作用。
图三受精后细胞内RNA的变化
图片来源Zhao,B.S.etal.Nature
图三是我们实验室赵伯譞在鱼里面做的一个工作，后来在老鼠里面也得到了论证。就是你如果有一个卵子，他受精之后从maternal到受精卵的时候，本来它的细胞形态里有的这些mRNA要被降解掉，这样细胞才能进入到下一个形态里去。在这个过程中间，这些母源的mRNA被降解的过程是部分的通过甲基化和YTHDF2，来协调它做细胞状态的重塑。
图四神经分化过程中的甲基化
图片来源HongjunSong:Yoon,K.J.etal.Cell.
另外一个例子是宋红军教授做的一个工作（图四）。这是一个神经干细胞的分化过程，在这个过程中间也看见了大量的RNA的甲基化，这些甲基化的RNA至关重要，他们表达之后对分化的过程非常重要，他们的去除也非常重要，如果没有甲基化的话这些RNA不被有效去除掉，这就阻止了的干细胞分化过程。
从一个比较简单的角度来讲，我们当时在年的时候我们提出的这个想法，就是从一个细胞进入另外一个细胞，细胞有它独特的RNA来保持这个细胞的形态，进入到下一个形态的时候首先这些关键的细胞特异性的mRNA必须被清除掉，这样的话下一个细胞形态才可以实现，那这些被去掉的RNA是通过甲基化来让细胞识别它然后通过YTHDF2把它去除掉，这样细胞才能进入下一个形态。
RNA甲基化研究在临床中的应用
这是一个非常基础的发现，我们做的时候没有想到它有广泛的临床应用的前景。一个前景就是骨髓移植，如果一个病人有很严重的白血病或者很严重的贫血，治疗的方法大家可能也知道，在很大的人群里面去找一个跟他能配型很近的捐献者，通常情况下是直系亲属，一般情况下很难找到。好比几万个人中找到跟他几乎相同的造血干细胞，然后从捐献者里面把造血干细胞给提出来，纯化之后这把病人的骨髓用化学或者放疗的方法清理干净，然后把这些提纯的从捐献者那儿来的干细胞打进去，这些造血干细胞可以在病人的骨髓里面增生，最终分化成不同的血液细胞。这个方法是一个治疗得比较彻底的方法。最大的挑战大家也很清楚，很难找到捐献者，既使找到了，我不是这一行的专家，我听说有更高的比例会有免疫排斥反应，有的免疫排斥反应很严重，甚至导致病人丧失生命。
另外一个治疗方法是脐带血干细胞，在美国20%的骨髓转移已经采用脐带血干细胞了。脐带血干细胞有几个好处，第一它对配型的要求不是那么严格，相对来讲比较容易找到可以配型的脐带血干细胞；第二个因为是脐带血干细胞，可以建一个库，这样其实在中国和美国都有很大的脐带学的干细胞库。用脐带血干细胞有一个好处就是它能在一定程度上避免免疫排斥的反应，因为脐带血干细胞相对来讲没有这么严的要求对抗原的配型。那为什么移植应用比例只有20%呢？一个很大的原因是对成年人的病人来讲需要两个脐带才有足够干细胞来做骨髓移植，这样的话就是说你得找到两个可用的脐带，代价比较大。
在斯托瓦斯医学研究所的李凌衡教授是这方面的专家，他一直在做的一个方向就是怎么样能把脐带血干细胞来扩增，如果两个脐带里面的干细胞可以扩大8倍的话，那它不是说只针对一个病人，它可以针对8个病人，这样把整个的脐带血干细胞的移植就会把它真正的用到、广泛的用起来。
怎么样去做得这样件事呢？凌衡教授在几年前飞到芝加哥来我们大家一起聊这个事的时候我给他介绍了YTHDF2的功能，当时我也没想这么多，我说这个是抑制细胞分化的，李教授说如果是这样的话你把YTHDF2给敲除之后，这个干细胞不分化了它会不会自己扩增呢？有了这么一个假设我们就把我们YTHDF2敲除的小鼠寄给了李教授的实验室，他们把YTHDF2在造血干细胞里面敲除掉以后，果然发现在这些老鼠的干细胞开始扩增了，阻止了它的分化的过程的话它开始扩增这个干细胞。还有一点有意思的是李教授发现，敲除了YTHDF2除了导致干细胞的自我更新和扩增之外，它并不对这些干细胞其他的性质或者将来的分化产生影响，这些干细胞的特性没有受到任何影响。
在人的脐带干细胞里面是什么样的呢？李教授把人的脐带血干细胞做同样的实验，把YTHDF2敲除或者敲降的情况下看见了14倍的扩增，就是在体外可以达到14倍的扩增。最后李教授做了一个体内的实验，他把这些扩增后的干细胞打到老鼠里面，把老鼠里面的骨髓清除、打进去，再等十周后再提取出来，打到下一代老鼠。在真正的受体里面，这些干细胞保持了它的干性，同时它也有非常好的分化到各种血液细胞的能力，同时我们也看见了差不多8倍的干细胞扩增。
这一系列的实验证明了通过抑制YTHDF2或者敲除YTHDF2，我们可以在体外做到造血干细胞的扩增，同时可以把骨髓的移植做的更高效。目前李凌衡教授和我们的实验室在合作，在寻找最佳的办法来敲降这个YTHDF2，我们希望这个方法可以尽快进入临床帮助患者。
除了造血干细胞还有什么？李教授还在做其他的干细胞，除了造血干细胞，YTHDF2也可以帮助其他干细胞的扩增。一个方向就是膝盖软骨的修复，我们现在全世界正在进入一个老龄化的社会，膝盖的问题挺严重的，大家经常有软骨的问题，导致膝盖出现问题，那怎么修复呢？凌衡教授和王进溪教授合作发现一类的间充质干细胞可以非常有效的产生膝盖软骨，做了几百个老鼠实验，目前发现这个是可行的，也希望通过我们这个YTHDF2的通路可以扩增干细胞，然后用到病人的膝盖上，可以重生软骨。这两个方向我们在稳步推进，也希望有其他细胞治疗的想法可以推进。
RNA甲基化研究在植物中的应用
我给大家介绍一下我们这个新方向，除了在mRNA转录后调控之外，还有一类RNA没有编码蛋白即non-codingRNA，这些RNA也可以被甲基化，而且可以调控转录。这是我以前的博后刘君教授，现在在北京大学，做的一个非常有意义的工作，这个工作发表后最近在有三篇文章确认了这个结果。除了DNA的甲基化和组蛋白修饰，我们现在在染色质上还有RNA，这些RNA的甲基化也可以调控基因的表达。DNA和组蛋白的甲基化大家知道是可逆的，那么RNA的甲基化调控怎么样呢，RNA甲基化调控染色质的形态它是不是也可逆呢？这要回到年的时候，贾桂芳教授发现的去甲基化酶FTO，这是第一个去甲基化酶，在癌症细胞里我们知道它把mRNA上的甲基化给去除了，对细胞有各种各样的影响。但是在生物体组织里面它的作用位点到底是什么我们很长时间并不知道，但是我们知道你把FTO去除之后，很多老鼠在胚胎晚期就死了，如果有一些老鼠出生了，这一部分出生的长的比较小。如果过表达FTO，这些老鼠长的稍微大一点。花了我们很长的时间，我的一个博后魏江博，发现FTO在组织里主要在LINE-1起作用，这是一个古老的病毒的一个元件，它在我们人体里面一共有万的拷贝，占了我们接近20%的基因组，它有些是可以转录成RNA的，这些RNA对染色质的形态和基因表达至关重要，这些RNA是被m6A甲基化的，甲基化和去甲基化调控染色质的状态和转录。
这个发现让我们开始想，除了转录后阶段的调控，RNA甲基化在转录阶段也来调控基因表达，这两方面都调控了在动物里面细胞的分化和发育。除了在细胞的分化和发育里头之外，我们在想能不能通过人为干涉甲基化，来改变细胞的分化和器官发育呢？
目前在动物领域我们做的还远远不够，但是在植物里面，北京大学的贾桂芳教授想到了把动物的FTO转到植物里面去，看看会不会干预植物的生长，这结果比较惊人，在水稻里面大家可以看见，把动物的去甲基化酶FTO转到植物里面去之后，根的发育非常发达，大概是野生型的3倍。
图五FTO转基因水稻生长情况
图片来源YuQ,LiuS,etal.,Nat.Biotechnol..
在温室里面，充足的阳光、灯和充足的光照、养分的情况下，表达FTO的水稻整体的生物质增加了三倍，产量也增加了三倍，如图五。因为这个突变体根系很发达，这些水稻有很好的抗旱作用，这是我们的对比，这是我们加了去甲基化酶的大米（图五）。因为它的生物质增加了很多，它的光合作用也增加了30%-40%，就是说它有更高效地碳转化率。在大田里面，我们跟不同的农业专家进行了合作，在大田里面我们也可以看见50%的增加，因为大田里面不是一个永远有光照和营养的情况下，这个情况下我们看见50%的增产，在土豆我们同样看到了50%的增产，是个比较普遍的现象。
我也不太讲这些机制了，其实也是一个染色质的调控，就像我们在动物里看到的很相似，它的染色质更加开放，导致它的根里面更多干细胞在根里面促进根的发育，所以根发育的更好，同时在发育的过程中有更多的分杈导致了更多的分支和生物质。
目前除了大米和土豆之外，贾桂芳教授也发现在其他的植物里面看上去是普适的一个现象，当然它有很多的应用的前景大家可以想象到，比如我们在植物里面用的木材、橡胶、棉花。我自己比较感兴趣的是自然保护和可持续方面。大家知道人类过度的活动和气候变化导致我们北部很多草原、草场和森林都已经消失了，我们很期待引进比较强大的植物如何恢复这个草场，恢复森林。同时也有这种植物可以在干旱的情况下更好的成长。
今天贾老师给我送了一张图过来，在草上我们也得到了同样的结果，我们加了FTO之后我们可以看到我们这个草生物质的也差不多增加了两倍，这是一个非常有前景的基础科研到未来应用的一个方向。
我今天只介绍了m6A，mRNA上还有别的修饰我们实验室也在研究之中，我们希望也有其它非常有意义的前景，谢谢大家！
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