Nature Biotechnology | 北京大學陳雪梅院士團隊揭示新型RNA帽子修飾的跨物種分布與動態調控

細胞內代謝物與基因表達的相互調控是維持生物體穩態的基礎。含腺嘌呤的核苷酸代謝物，如NAD、FAD和CoA，傳統上作為酶輔因子參與代謝反應。然而，近年研究發現，這些代謝物還能作為非經典的RNA 5'帽子結構，直接參與基因表達調控。盡管dpCoA（脫磷酸輔酶A）作為RNA帽子早在2009年就與NAD同時被發現，但由于缺乏特異性檢測技術，dpCoA-RNA一直未得到深入研究，其分布、動態變化和功能幾乎未知。

近日，北京大學生命科學學院院長、北京大學核糖核酸北京研究中心主任、北大-清華生命科學聯合中心陳雪梅院士課題組在《Nature Biotechnology》發表了題為“Quantification and transcriptome profiling reveal abundant, dynamic and translatable dephospho-CoA-capped RNAs”的研究論文。該研究通過生化分析和結構生物學手段，鑒定出擬南芥NUDT11作為特異性識別dpCoA-RNA的去帽酶，并基于此開發了dpCoA-TLC定量方法和dpCoA-CapZyme-seq測序技術，系統揭示了dpCoA-RNA的分布、動態變化和翻譯功能。

研究首先通過質譜檢測發現，dpCoA-RNA廣泛存在于大腸桿菌、擬南芥、酵母、小鼠和人類細胞中，表明這種修飾在進化上具有保守性。值得注意的是，傳統使用的核酸酶P1會切割dpCoA的內部焦磷酸鍵，導致其信號被低估約75%，這意味著過去對dpCoA-RNA豐度的認識可能遠低于真實水平。

為尋找特異性識別dpCoA-RNA的酶，研究人員對擬南芥Nudix水解酶家族進行了系統篩選，發現AtNUDT11、AtNUDT15和AtNUDT22能夠特異性切割dpCoA-RNA，而對NAD-RNA、FAD-RNA、m7G-RNA等其他帽子結構的RNA沒有活性。其中AtNUDT11活性最強。結構分析顯示，AtNUDT11具有獨特的正電性表面，能夠優先識別dpCoA-RNA而非游離的dpCoA代謝物，這解釋了其底物特異性的分子基礎。

利用AtNUDT11的特異性，研究團隊開發了dpCoA-TLC定量方法，對不同物種、組織和RNA類型的dpCoA-RNA進行了精確測量。結果顯示，dpCoA-RNA在擬南芥花序中含量最高，poly(A)RNA中可達140 fmol/μg RNA；在小鼠組織中，腎臟和肝臟含量較高；在人類細胞中，HEK293T細胞高于HeLa細胞；酵母在糖脅迫下dpCoA-RNA水平升高。值得注意的是，dpCoA-RNA豐度與細胞內游離dpCoA水平并不總呈正相關，暗示存在更復雜的調控機制。

通過dpCoA-CapZyme-seq測序技術，研究人員在擬南芥中鑒定出近1700個dpCoA-RNA，其中絕大多數（1680個）來自蛋白編碼基因。這些基因顯著富集在光合作用相關通路，如光捕獲和光合電子傳遞。序列分析顯示，dpCoA-RNA的轉錄起始位點具有特征性堿基偏好：+1位幾乎都是A，-1位偏好嘧啶（C/T），這與NAD-RNA的-1位偏好嘌呤形成鮮明對比。

為精確評估dpCoA-RNA的豐度，研究采用APM膠結合Northern blot對五個光合作用相關基因進行了定量分析。結果顯示，dpCoA-RNA占相應m7G-RNA的比例在8-15%之間，這一高比例表明dpCoA修飾并非稀有現象，而可能具有重要生物學功能。

有趣的是，當植物從弱光（30 μmol m?2 s?1）轉至高光（300 μmol m?2 s?1）時，RBCSIA、PSBY、ELIP1和ELIP2等光合作用相關基因的dpCoA-RNA比m7G-RNA反應更快、誘導更顯著，dpCoA-RNA與m7G-RNA的比例隨時間逐漸升高，提示dpCoA修飾可能在快速響應環境變化中發揮作用。

最關鍵的是，研究發現dpCoA-RNA具有翻譯功能。從擬南芥多聚核糖體組分中檢測到dpCoA-RNA的存在，且經翻譯抑制劑嘌呤霉素處理后，多聚核糖體中的dpCoA-RNA信號消失，證實其與活躍翻譯的核糖體相關。進一步的細胞轉染實驗表明，將體外轉錄的dpCoA-RNA（編碼eGFP）轉染至HEK293T細胞后，可檢測到明顯的GFP陽性細胞（12.5%），雖然低于m7G-RNA組（32%），但遠高于ppp-RNA對照組（0.036%），直接證明dpCoA-RNA能夠在人類細胞中指導蛋白質合成。

北京大學生命科學學院院長、北京大學核糖核酸北京研究中心主任、北大-清華生命科學聯合中心陳雪梅院士和北京大學生命科學學院助理研究員胡昊為本文的共同通訊作者。胡昊助理研究員、北京大學生命科學學院2023級博士研究生張琦玥為本文的共同第一作者。哥倫比亞大學Liang Tong教授、中國科學院動物研究所李幸研究員、天津師范大學馬軒副教授，華南農業大學尤辰江教授也參與了本項工作，并提供了重要貢獻。感謝北京大學生命科學學院吳虹教授、劉君研究員以及北京核糖核酸研究中心溫翰研究員對本工作的支持與幫助。本研究得到了國家重點研發計劃、核糖核酸北京研究中心、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等項目和機構的支持。

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