Koziol团队首次绘制脑内DNA/RNA修饰"空间地图"，发现TET1全新功能 | NAT CELL BIOL
DNA和RNA修饰被认为是调控生命活动的重要"开关"，它们何时出现、在哪里发挥作用，一直是表观遗传学研究关注的核心问题。然而，现有技术如高通量测序和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）虽然能够鉴定和定量修饰，但通常需要对组织进行匀浆处理，丢失了宝贵的空间信息。如何在保留组织空间结构的前提下，同步检测多种核酸修饰，一直是该领域的核心挑战之一。
8月24日，北京脑科学与类脑研究所 Magdalena J. Koziol课题组 在 Nature Cell Biology 发表题为 “DREAMS illuminates spatial DNA and RNA modification landscapes” 的研究论文。团队开发了名为 DREAMS（DNA/RNA Elements Areal Mass Spectrometry）的质谱成像平台，首次实现在组织切片上对多种DNA和RNA修饰代谢物的空间同步成像。该技术通过检测组织中游离修饰核苷的变化来识别DNA和RNA修饰的潜在区域热点，提供了一种全新的筛查策略。利用该技术，团队发现了去甲基化酶TET1在RNA修饰调控中的全新功能——TET1能够调节N1-甲基腺苷（m1A）这一关键RNA修饰，揭示了一种此前未报道的表观遗传—表观转录组交叉调控机制。
研究团队注意到，在细胞中，DNA和RNA的持续周转会产生大量游离的修饰核苷。这些游离代谢物整合了核酸丰度、修饰化学计量和降解动态的信息。研究团队由此提出设想：空间映射组织切片中游离修饰核苷的变化，可以作为发现区域性DNA/RNA修饰改变的“第一级入口”。
基于这一思路，团队开发了DREAMS平台。该平台采用空气动力辅助离子化质谱成像技术，将喷雾液滴作用于移动的生物样本表面，解吸代谢物并检测其空间分布。更为重要的是，DREAMS能够可靠地区分并检测多种修饰的核酸代谢物，这些代谢物被研究团队用作DNA和RNA修饰变化的生物标志物。
DREAMS技术原理示意图及小鼠脑内代谢物空间分布验证。（上）DREAMS通过喷雾解吸实现组织切片中游离修饰核苷的质谱成像；（下）DREAMS在小鼠脑中检测到胆固醇硫酸酯、多巴胺、谷氨酸和谷氨酰胺等代谢物，其分布与文献报道的LC-MS/MS结果一致。
为验证DREAMS能否真实反映DNA/RNA修饰状态的变化，研究团队将该技术应用于TET蛋白缺陷的小鼠模型。TET家族是已知的DNA去甲基化酶，通过氧化5-甲基脱氧胞苷（m5dC）参与调控DNA甲基化。团队构建了Tet1单敲除和Tet1/2/3三敲除小鼠，分别用DREAMS扫描脑切片，并同步进行LC-MS/MS定量验证。
结果验证了DREAMS能够有效检测TET缺陷导致的DNA和RNA胞嘧啶修饰变化，与已知的TET功能一致。这一结果证明，游离修饰核苷池的变化确实能够反映结合态DNA/RNA修饰的改变。更重要的是，DREAMS还发现了一系列此前未知的TET1下游影响，多种修饰代谢物在Tet1敲除小鼠不同脑区中发生了变化，包括m1A在尾壳核（CPu）和小脑（Cb）中发生了变化。结果提示TET1的调控作用具有脑区特异性。
研究团队进一步聚焦于m1A这一关键RNA修饰。通过LC-MS/MS对脑组织中不同大小RNA组分的分析发现，TET1对m1A的调控主要作用于长RNA组分，而对短RNA组分没有影响。体外生化实验进一步证实，纯化的TET1催化结构域能够直接作用于m1A。此外，通过生化及细胞研究还发现TET1对胞嘧啶和腺苷修饰的区分机制不同，表明其在RNA修饰调控中可能具有更复杂的功能。
此外，研究团队通过m1A mapping分析显示，Tet1敲除小鼠CPu脑区的m1A修饰发生了变化，受影响的转录本富集于突触组织和轴突再生相关的基因通路，提示TET1介导的m1A调控可能参与神经元功能的调节。
本研究首次实现了在组织原位对多种DNA和RNA修饰代谢物的空间同步成像。DREAMS平台作为发现型工具和新型技术路径，能够在复杂组织中高通量识别修饰变化的区域“热点”，为后续靶向机制研究提供精确的切入点。以去甲基化酶TET1为例，DREAMS在不预设通路的情况下，捕获了TET1对m1A RNA修饰的脑区特异性调控，揭示了表观遗传与表观转录组调控之间可能存在的交叉对话。该平台可广泛应用于多种组织和疾病模型，为系统探索核酸修饰的空间异质性提供了新的技术路径。
论文信息
北京脑科学与类脑研究所Koziol实验室彭燕、薛亮为本文共同第一作者，Magdalena J. Koziol博士为通讯作者。该研究得到了北京脑科学与类脑研究所核心经费、中国医学科学院非营利性中央研究院基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程项目、北京自然科学基金、北京市博士后国际交流培养资助引进项目及中国博士后科学基金会联合资助引进项目的资助。
