m6A/m5C/m1A/m7G/ac4C/Ψ等8種RNA修飾的生物學功能和潛在機制|深度綜述

RNA修飾近來已成為熱門話題跟束,它們通過影響RNA生成、轉(zhuǎn)運丑孩、功能和代謝等過程冀宴,是細胞生物學的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。本文介紹了包括N6-甲基腺苷(m6A)温学、5-甲基胞嘧啶(m5C)略贮、N1-甲基腺苷(m1A)、N7-甲基鳥苷(m7G)仗岖、N4-乙酰胞嘧啶(ac4C)刨肃、假尿苷(Ψ)、尿苷化和腺苷-肌苷(A-to-I)RNA編輯在內(nèi)的8種RNA修飾的生物學功能和作用機制箩帚,這些修飾由RNA修飾酶(“writers”,“erasers”和“readers”)進行添加黄痪、去除紧帕、識別和編輯,影響包括RNA生成桅打、轉(zhuǎn)運是嗜、功能和代謝的生物學進程,進而調(diào)控細胞功能挺尾。最后鹅搪,還總結(jié)整理了各種癌癥中免疫細胞相關(guān)的RNA修飾。

m6AN6-methyladenosine)

m6A修飾在真核生物中已成為最普遍且含量最豐富的mRNA修飾(m6A/A = 0.1–0.6%)遭铺。它以全長序列出現(xiàn)丽柿,但在mRNA的終止密碼子附近和3'非翻譯區(qū)(3'UTR)內(nèi)富集恢准,這些區(qū)域具有共有motif RRACH(R=G或A;H=A甫题、C或U)馁筐。此外,m6A修飾也存在于大多數(shù)非編碼RNA中坠非,包括核糖體RNA(rRNAs)敏沉、小核RNA(snRNAs)、小核仁RNA(snoRNAs)炎码、microRNA(miRNAs)盟迟、長鏈非編碼RNA(lncRNAs)和環(huán)狀RNA(circRNAs)。這種修飾在RNA的多種生物學功能和調(diào)控中起著重要作用潦闲。

圖1:RNA修飾及其在不同RNA亞型上的分布攒菠。 a. 八種RNA修飾的化學結(jié)構(gòu)。 b. RNA修飾在不同RNA亞型上的分布矫钓,在相應(yīng)的修飾位點標記要尔。

m6A修飾在mRNA中沉積主要由m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復合體(MTC)介導(圖2和表1)。關(guān)鍵的MTC組分包括類似甲基轉(zhuǎn)移酶3(METTL3)新娜、METTL14赵辕、Wilms腫瘤1相關(guān)蛋白(WTAP)、類病毒m6A甲基轉(zhuǎn)移酶相關(guān)蛋白(VIRMA概龄,也稱KIAA1429)还惠、Cbl原癌基因樣蛋白1(HAKAI)、含鋅指CCCH型蛋白13(ZC3H13)和RNA結(jié)合基序蛋白15/15B(RBM15/15B)私杜。其中蚕键,METTL3被認為是唯一具有自身催化能力的S-腺苷甲硫氨酸(SAM)依賴性甲基轉(zhuǎn)移酶,能夠與METTL14形成緊密的異源二聚體進行催化衰粹,而“writers”則作為調(diào)控因子狰腌。含鋅指CCCH型蛋白4(ZCCHC4)和METTL5分別在28S和18S rRNA上介導m6A形成锐峭,以加速整體翻譯效率(圖3和表1)。在U6 snRNA中,m6A由METTL16介導參與RNA剪接調(diào)控(圖4和表1)盯另。

圖2:RNA修飾機制及其在mRNA中的分子功能遥金。
表1:RNA修飾特征
圖3:RNA修飾機制及其在rRNA中的分子功能逼裆。RNA修飾通過各自的"writers"在rRNA上進行添加蓝仲。在rRNA上發(fā)生的修飾會改變RNA結(jié)構(gòu),從而調(diào)節(jié)核糖體功能泡态,進而影響翻譯效率搂漠。相同修飾可以由細胞不同部位的不同writers添加。此外某弦,核糖體不同亞基上的m6A修飾可以由不同的writers催化桐汤。一些writers還需要與甲基轉(zhuǎn)移酶激活因子形成異二聚體復合體以在細胞中獲得代謝穩(wěn)定性而克,如METTL5-TRMT112。
圖4:RNA修飾機制及其在剪接體snRNA惊科、snoRNA和miRNA中的分子功能拍摇。特定RNA修飾通過相應(yīng)"writers"在snRNA、snoRNA和miRNA上進行添加馆截。snRNA和miRNA上m6A修飾可以通過FTO去除充活,而snRNA和snoRNA上的m7G修飾可以通過H29K去除,使非編碼RNA上的RNA修飾動態(tài)可逆蜡娶。此外由TGS1修飾因子進一步修飾的m7G添加在snRNA和snoRNA上混卵,可以形成m2,2,7G?。RNA修飾通過改變這些非編碼RNA的結(jié)構(gòu)來影響其功能窖张,從而在各種生理過程中實現(xiàn)微調(diào)幕随。

到目前為止,已經(jīng)鑒定出兩種m6A erasers宿接,它們都屬于鐵(II)/α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶超家族的AlkB家族赘淮。第一種eraser是脂肪量和肥胖相關(guān)蛋白(FTO),它能夠介導mRNA和snRNA中m6A和m6Am殘基的去甲基化睦霎,以及tRNA中m1A殘基的去甲基化(圖2梢卸、圖4、圖5和表1)副女。另一種m6A eraser是AlkB同源物5(ALKBH5)蛤高,它僅能氧化逆轉(zhuǎn)mRNA中的m6A修飾(圖2和表1)。

圖5:RNA修飾機制及其在tRNA中的分子功能碑幅。RNA修飾通過指定的"writers"在tRNA上進行添加戴陡,而m1A修飾可以通過ALKBH3和FTO去除,pre-tRNA上的m5C修飾則可以被TET2轉(zhuǎn)化為hm5C或f5C沟涨。這些tRNA上的修飾可以改變tRNA結(jié)構(gòu)恤批,從而調(diào)節(jié)其功能,影響翻譯效率裹赴。tRNA上相同的修飾可以由細胞不同部位的不同writers安裝喜庞。不同的writers可以在tRNA的不同位置添加A-to-I編輯。ac4C的writers NAT10在接頭Tan1/THUMPD1的協(xié)助下修飾tRNA篮昧。

許多reader蛋白以各種方式影響m6A RNA命運,很大程度上取決于其亞細胞定位笋妥。最廣泛研究的reader是YT521-B同源性(YTH)結(jié)構(gòu)域家族成員懊昨,它們共鑒定m6A YTH結(jié)構(gòu)域,但對RNA命運產(chǎn)生不同的影響春宣。YTH結(jié)構(gòu)域家族包括YTHDF1-3和YTHDC1-2酵颁。YTHDF1和YTHDF3通過與翻譯機制互作嫉你,積極促進蛋白合成,而YTHDF2則招募RNA降解酶或接頭蛋白躏惋,觸發(fā)其目標mRNA快速降解幽污。YTHDC1不僅促進m6A修飾的染色質(zhì)相關(guān)調(diào)控RNA衰減,影響開放染色質(zhì)狀態(tài)和下游轉(zhuǎn)錄簿姨,而且還通過招募和調(diào)節(jié)前mRNA剪接因子來介導mRNA剪接距误。YTHDC2可能以m6A依賴或不依賴性方式參與mRNA穩(wěn)定和翻譯。類胰島素生長因子2 mRNA結(jié)合蛋白(IGF2BPs扁位,包括IGF2BP1-3)通過K同源結(jié)構(gòu)域識別m6A准潭,增強mRNA穩(wěn)定性和翻譯。異質(zhì)核糖核蛋白(HNRNP)家族成員域仇,包括HNRNPC刑然、HNRNPG和HNRNPA2B1,能夠鑒定pre-mRNA和/或原始(mi)RNA上的m6A暇务,以介導剪接和/或細胞核質(zhì)轉(zhuǎn)運泼掠。真核起始因子3(eIF3)在細胞應(yīng)激誘導下,通過招募43S復合體促進無帽翻譯垦细。富脯氨酸卷曲螺旋2A(PRRC2A)鏈球菌核酸酶和含tudor結(jié)構(gòu)域的1(SND1)作為m6A readers择镇,促進修飾RNA穩(wěn)定。特別是m6A通過促進共轉(zhuǎn)錄R環(huán)形成參與轉(zhuǎn)錄終止蝠检,以防止Pol II的reads活性沐鼠,目前尚不清楚其他readers是否參與此過程。m6A在各種RNA分子中的具體作用見圖2-4和表1叹谁。

總的來說饲梭,m6A修飾通過影響不同RNA的轉(zhuǎn)錄、成熟焰檩、定位憔涉、功能和代謝,在各種細胞過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用析苫。在mRNA中兜叨,m6A可以影響轉(zhuǎn)錄、成熟衩侥、定位国旷、翻譯和降解,最終影響編碼的蛋白質(zhì)茫死。在rRNA中跪但,18S rRNA中的m6A1832修飾和28S rRNA中的m6A4220修飾對整體翻譯必不可少。在snRNA和snoRNA中峦萎,m6A修飾可能調(diào)節(jié)snRNA pre-mRNA或pre-lncRNA的剪接過程屡久。在miRNA中忆首,m6A通過招募miRNA微加工復合體蛋白DGCR8(依賴于HNRNPA2B1)來促進pri-miRNA加工。在lncRNA和circRNA中被环,m6A已被證實可以調(diào)節(jié)生成糙及、結(jié)構(gòu)、分布筛欢、功能和代謝浸锨,并且在具有編碼潛力的circRNA中,m6A也是一個關(guān)鍵的翻譯啟動子悴能。

盡管m6A已經(jīng)被廣泛研究揣钦,但仍有一些重要問題需要解決。例如漠酿,m6A是一種廣泛存在的修飾冯凹,可以影響各種類型的RNA,現(xiàn)有的研究主要集中在m6A對mRNA的影響上炒嘲,而其對非編碼RNA的影響可能是一個很好的研究興趣點宇姚。當前研究表明,m6A對RNA穩(wěn)定性的影響是雙向的夫凸,即增加穩(wěn)定性或促進降解浑劳。對于這個問題,需要充分考慮RNA中m6A的修飾位點以及不同readers(如YTHDF2和IGF2BPs)之間的不平衡夭拌。m6A可能通過介導pre-mRNA剪接魔熏,影響circRNA生成和circRNA-mRNA不平衡,由于最近對circRNA的研究熱潮鸽扁,這也是一個潛在的研究焦點蒜绽。盡管現(xiàn)有的抑制因子可以通過抑制writers來干擾m6A水平,但它們通常具有非特異性桶现,并且影響整體m6A水平躲雅。探索基因特異性的m6A干擾更具有重要意義。


m5C(5-methylcytosine)

m5C甲基化發(fā)生在胞嘧啶殘基的第5位骡和,是DNA和RNA共有的一種修飾相赁。自1958年被鑒定以來,m5C被描述為在tRNA慰于、rRNA钮科、mRNA、增強子RNA(eRNA)和miRNA中廣泛存在的表觀轉(zhuǎn)錄組標記婆赠,尤其在真核生物的tRNA和rRNA中含量最豐富(圖1)绵脯。

在真核生物中,m5C甲基化由NOL1/NOP2/SUN結(jié)構(gòu)域(NSUN)家族成員、NSUN1-7和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白2(DNMT2)引入(表1)桨嫁。特定的m5C"writers"催化不同的RNA亞群。目前所知份帐,細胞質(zhì)tRNA由NSUN2璃吧、NSUN6和DNMT2甲基化,而線粒體tRNA由NSUN2和NSUN3催化(圖5和表1)废境。rRNA在細胞核內(nèi)由NSUN1和NSUN5甲基化畜挨,在線粒體中由NSUN4催化(圖3和表1)。mRNA由NSUN2和NSUN6甲基化噩凹,而ncRNA和eRNA分別由NSUN2和NSUN7修飾(圖2和表1)巴元。

最近,一些m5C erasers或修飾因子(modifiers)在RNA分子中受到關(guān)注驮宴。已知的erasers / modifiers包括TET蛋白家族(TET1-3)和α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶ABH1(ALKBH1)逮刨,它們具有將m5C氧化成5-羥甲基胞嘧啶(hm5C)的活性。在DNA中堵泽,TET蛋白依次將m5C轉(zhuǎn)化為hm5C修己、5-甲酰胞嘧啶(f5C)和5-羧胞嘧啶,后兩者被胸腺嘧啶DNA糖基化酶識別和去除迎罗。而在RNA中睬愤,TET蛋白僅被報道能將m5C轉(zhuǎn)化為hm5C。ALKBH1能將m5C依次轉(zhuǎn)化為hm5C和f5C纹安,這一過程在線粒體中對線粒體功能必需(圖5)尤辱。

與m6A修飾類似,m5C也涉及結(jié)合蛋白來改變修飾RNA命運厢岂。首個被鑒定m5C修飾的mRNA reader是RNA和出核因子結(jié)合蛋白2(ALYREF)光督,這是一個著名的蛋白復合體,有助于mRNA出核(圖1和表1)咪笑。Y盒結(jié)合蛋白1(YBX1)是一種位于細胞質(zhì)的reader可帽,通過招募ELAV樣RNA結(jié)合蛋白1(ELAVL1)(mRNA穩(wěn)定性維持蛋白),以增強m5C修飾mRNA的穩(wěn)定性窗怒。此外映跟,YTHDF2,也是一種m6A reader蛋白扬虚,能夠直接結(jié)合RNA中的m5C努隙,調(diào)節(jié)m5C在編碼和非編碼RNA中的分布,并通過調(diào)節(jié)m5C水平影響rRNA成熟辜昵。

總體而言荸镊,m5C在穩(wěn)定非編碼和編碼RNA中發(fā)揮重要作用。在tRNA中,m5C調(diào)節(jié)RNA結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性躬存,是翻譯精確所必需张惹。在rRNA中,m5C甲基化穩(wěn)定了核糖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)象岭洲,確保翻譯準確性宛逗,并招募了應(yīng)對氧化應(yīng)激的mRNA亞集到poly核糖體上。m5C在mRNA中對調(diào)控穩(wěn)定性盾剩、出核和翻譯至關(guān)重要雷激。例如,一組具有高甲基化m5C位點的mRNA通過NSUN2或YBX1依賴性方式穩(wěn)定告私,從而影響膀胱癌的發(fā)生或斑馬魚的胚胎發(fā)育屎暇。NSUN2增強了ALYREF對細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A(CDKN1A)mRNA的鑒定,在功能上促進了1T3-L3前脂肪細胞中CDKN1A?mRNA的出核和翻譯驻粟。

鑒于m5C在維持真核生物tRNA和rRNA的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面的重要性根悼,而真核 tRNA 和 rRNA 是維持幾乎所有類型真核細胞正常生理機能的重要分子,因此將m5C作為治療方法可能還有很長的路要走蜀撑。幸運的是番挺,不同RNA具有不同的writers,靶向特定writers可以影響特定RNA功能屯掖。例如玄柏,最近的一項研究表明,靶向NSUN3以調(diào)節(jié)線粒體RNA m5C的位點特異性修飾贴铜,在抗癌癥轉(zhuǎn)移中顯示出治療效果粪摘。


m1AN1-methyladenosine)

在20世紀60年代被鑒定出來的m1A是腺苷在N1位點的甲基化,已在tRNA绍坝、rRNA徘意、mRNA和lncRNA中被發(fā)現(xiàn)。m1A與m6A修飾密切相關(guān)轩褐,不僅因為m1A在堿性條件下可以重排為m6A(Dimroth重排)椎咧,而且它們還共有一些調(diào)控因子(圖1)。

目前報道的人類m1A"writers"包括核糖體甲基化酶(NML把介,也稱為RRP8)(rRNA)勤讽、tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶6非催化亞基(TRMT6)-RNA甲基轉(zhuǎn)移酶61A(TRMT61A)復合體(mRNA和線粒體tRNA)、TRMT61B(線粒體tRNA和rRNA)拗踢、TRMT10B(tRNA)和TRMT10C(線粒體tRNA和mRNA)脚牍。m1A erasers,包括FTO(tRNA)和ALKBH家族成員ALKBH1(線粒體tRNA)巢墅、ALKBH3(tRNA和mRNA)和ALKBH7(線粒體tRNA)诸狭,與一些m6A

erasers重疊或密切相關(guān)券膀。因此,一些m6A readers驯遇,即包括YTHDF1-3和YTHDC1在內(nèi)的YTH結(jié)構(gòu)域家族蛋白芹彬,已被證實能夠鑒定m1A修飾(圖2、3叉庐、5和表1)雀监。

總的來說,m1A影響RNA堿基對眨唬,進而影響目標RNA分子的結(jié)構(gòu)和功能。人類rRNA和tRNA中存在許多不同的m1A修飾位點好乐。例如匾竿,28S rRNA位1322的m1A促進60S核糖體亞基形成,位947的m1A對線粒體核糖體結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要蔚万。tRNA位58的m1A對tRNA結(jié)構(gòu)岭妖、穩(wěn)定性和翻譯啟動至關(guān)重要;這一位點m1A缺失可能促進tRNA衍生小RNA(tDRs)產(chǎn)生反璃,增強核糖體組裝并引起惡性表型昵慌。在mRNA中,m1A分布在每個mRNA片段中淮蜈,包括編碼序列(CDS)斋攀、5'UTR和3'UTR,其作用似乎取決于區(qū)域或亞細胞位置梧田。在起始密碼子附近淳蔼,m1A可能通過改變二級/三級結(jié)構(gòu)或readers對翻譯啟動位點(TISs)的識別來調(diào)節(jié)翻譯啟動,從而促進翻譯裁眯。線粒體中5'UTR或CDS中的m1A抑制翻譯鹉梨,可能是通過影響核糖體掃描或翻譯(圖2、3穿稳、5和表1)存皂。

由于m1A與m6A共有一些調(diào)控因子,如YTHDF1-3和YTHDC1逢艘,m6A的研究方向可以為m1A提供參考旦袋。由于m1A修飾可以影響RNA堿基對,它可能影響miRNA與其他RNA結(jié)構(gòu)(如mRNA

3'UTR它改、lncRNA和circRNA)的結(jié)合猜憎。競爭性內(nèi)源RNA(ceRNA)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)近年來受到廣泛關(guān)注,m1A修飾可能為這一理論增添新的概念搔课。


m7GN7-methylguanosine)

m7G指的是在鳥嘌呤N7位發(fā)生的RNA甲基化胰柑,存在于所有鳥苷的約0.4%中截亦,其水平與m1A修飾相似。m7G因形成成熟mRNA柬讨、snRNA和snoRNA的5'帽結(jié)構(gòu)(m7GPPPN)而聞名崩瓤;此外,它在mRNA的5'UTR踩官、CDS和3'UTR所有三個轉(zhuǎn)錄片段以及pre-mRNA中都富集却桶。m7G也存在于非編碼RNA中,如tRNA的46位蔗牡、18S rRNA的G1575/G1639位颖系,包括成熟miRNA和pre-miRNA中(圖1)。

RNA鳥嘌呤-7甲基轉(zhuǎn)移酶(RNMT)辩越、METTL1-WD重復域4(WDR4)復合體和Williams-Beuren綜合征染色體區(qū)域22蛋白(WBSCR22嘁扼,也稱為BUD23)被認為是m7G的"writers"。RNMT由RNMT激活小蛋白(RAM)激活下黔攒,對有效的帽甲基化必需趁啸。METTL1通過與WDR4或其他合作伙伴形成復合體,具有tRNA督惰、內(nèi)部mRNA和pri-miRNA/miRNA的m7G甲基轉(zhuǎn)移酶活性不傅。需要甲基轉(zhuǎn)移酶接頭蛋白TRM112,WBSCR22特別地在18S rRNA中甲基化m7G赏胚。在大多數(shù)非編碼RNA中访娶,m7G帽在成熟過程中可能因片段化或進一步修飾為m2,2,7G三甲基鳥苷而丟失。例如觉阅,三甲基鳥苷合酶1(TGS1)可能作為一個修飾因子震肮,將snRNAs和snoRNAs的m7G帽高甲基化為m2,2,7G帽結(jié)構(gòu),導致它們在核焦點中聚集留拾。m7G帽可以被eIF4E和由CBP80和CBP20組成的帽結(jié)合復合體(CBC)識別戳晌,從而影響RNA成熟、出核和翻譯(圖2-5和表1)痴柔。

mRNA上的m7G帽調(diào)節(jié)mRNA過程的多個階段沦偎,包括pre-mRNA剪接、出核咳蔚、轉(zhuǎn)錄擴展豪嚎、翻譯和降解,并間接增加核糖體合成和翻譯效率谈火。在內(nèi)部mRNA上侈询,m7G甲基化可能影響mRNA翻譯。tRNA中的m7G通過維持tRNA結(jié)構(gòu)完整性來重塑mRNA翻譯體糯耍,促進其穩(wěn)定性扔字、翻譯能力囊嘉,并減少核糖體停頓。然而革为,m7G對rRNA的影響尚未深入研究扭粱。在miRNA中,m7G通過拮抗pri-miRNA中的G-四鏈體結(jié)構(gòu)促進miRNA加工(圖2-5和表1)震檩。

眾所周知琢蛤,m7G在mRNA中廣泛存在,是翻譯過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子抛虏,因此博其,它可能不是人類疾病中的有效治療靶標。m7G調(diào)控因子在不同的RNA和疾病中的作用可能不同迂猴。例如慕淡,tRNA上的m7G修飾促進肺癌進展,而let-7 miRNA上的m7G修飾則可能抑制進展错忱。m7G修飾促進肝細胞癌和膀胱癌進展,但在畸胎瘤中則產(chǎn)生相反效果挂据。


ac4CN4-acetylcytosine)

除了m5C和hm5C以清,ac4C是胞嘧啶上的另一種保守修飾,是目前在真核生物RNA中描述的唯一一種乙跗樘樱化掷倔。像許多RNA修飾一樣,ac4C最初是在tRNA和rRNA中被鑒定个绍,隨后在mRNA中也被發(fā)現(xiàn)勒葱。在rRNA中,ac4C分布在哺乳動物18S rRNA解碼位點附近的34號和45號螺旋巴柿;tRNA中凛虽,ac4C分布在真核生物的tRNASer/Leu的D-stem上。在mRNA中广恢,ac4C位點沉積主要在編碼序列(CDS)和5'非翻譯區(qū)(5'UTR) 區(qū)域(圖1)凯旋。

N-乙酰轉(zhuǎn)移酶10(NAT10)是一種ATP依賴性RNA乙酰轉(zhuǎn)移酶,目前被認為是ac4C的唯一"writer"钉迷。它在18S rRNA至非、tRNA和廣泛的mRNA中催化ac4C修飾。在人類rRNA或tRNA中形成ac4C需要另外兩個蛋白質(zhì):第一個是box C/D snoRNA U13糠聪,它對18S rRNA乙趸耐郑化至關(guān)重要,主要通過及時的pre-rRNA折疊來實現(xiàn)舰蟆。另一個是含有THUMP結(jié)構(gòu)域1蛋白(THUMPD1)的特異性RNA接頭蛋白趣惠,具有可以與NAT10互作并協(xié)同參與tRNA乙趵旯鳎化的RNA結(jié)合基序(圖2、3信卡、5和表1)隔缀。

在18S rRNA中,ac4C對pre-rRNA加工和核糖體合成至關(guān)重要傍菇,可能通過將18S rRNA 3'端轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓瑝A基修飾的環(huán)境來影響翻譯能力猾瘸,從而與mRNA或tRNA互作。tRNA中ac4C形成的功能尚未完全理解丢习,但tRNA的ac4C可以促進其穩(wěn)定性牵触,并被認為是由于快速的tRNA降解通路,作為真核生物tRNA成熟過程的監(jiān)測指標咐低。此外揽思,ac4C可以影響mRNA翻譯。mRNA

CDS區(qū)域上的ac4C顯著增強了mRNA的穩(wěn)定性并促進蛋白翻譯见擦,可能是通過影響其在翻譯過程中與相應(yīng)tRNA的互作钉汗。然而,5'UTR上的ac4C修飾主要通過直接和間接介導的精確位點特異性來影響翻譯起始:強AUG起始密碼子附近的ac4C修飾可以抑制翻譯鲤屡,而弱翻譯起始啟動位點下游的ac4C修飾則可以促進翻譯(圖2损痰、3、5和表1)酒来。

作為一種新發(fā)現(xiàn)的RNA修飾卢未,ac4C在很大程度上仍然未知,特別是它的調(diào)控因子和分子功能堰汉。目前只確認了一個writer辽社,還沒有鑒定出erasers和readers。已有報道顯示ac4C在rRNA翘鸭、tRNA以及mRNA的CDS和UTR區(qū)域中的功能滴铅,然而相關(guān)的研究還很少。需要進行更多的調(diào)查研究就乓。


Ψ(Pseudouridine)

大約70年前發(fā)現(xiàn)的Ψ(假尿苷)是尿苷的C5-糖苷異構(gòu)體失息,其中雜環(huán)的C5原子與戊糖的C1'原子相連。Ψ存在于幾乎所有類型的RNA中档址,包括編碼和非編碼RNA盹兢,在物種間高度保守(圖1)。

在人類中已經(jīng)鑒定出13種Ψ的“writers”守伸,其中之一是Dyskerin假尿苷合成酶1(DKC1)绎秒,它是H/ACA snoRNP復合體的催化亞基,該復合體催化rRNA假尿苷化尼摹,需要RNA介導發(fā)揮其催化活性见芹。其余12種writers是不依賴RNA的單個假尿苷合酶(PUSs):PUS1剂娄、PUSL1、PUS3玄呛、TRUB1阅懦、TRUB2、PUS7徘铝、PUS7L耳胎、RPUSD1-4和PUS10;這些酶具有特定的細胞定位和RNA靶標惕它。到目前為止怕午,還沒有已知的Ψ erasers和readers。erasers缺失可能是由于由核糖和堿基形成的相對惰性的C-C鍵淹魄,導致假尿苷化過程不可逆(圖2郁惜、5和表1)。

以往研究表明甲锡,Ψ在RNA生物發(fā)生兆蕉、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和功能中發(fā)揮著功能作用缤沦,參與調(diào)控基因表達虎韵。tRNA包含許多假尿苷化位點,這些位點對維持穩(wěn)定的tRNA結(jié)構(gòu)疚俱、介導tRNA密碼子-反密碼子堿基配對至關(guān)重要劝术,因此參與翻譯過程缩多。Ψ還通過改變tRNA來源片段的性質(zhì)來抑制異常蛋白質(zhì)合成呆奕。與tRNA情況類似,Ψ也豐富地存在于各種rRNA區(qū)域衬吆,有助于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成梁钾。此外,Ψ有助于核糖體加工和功能逊抡,以確保蛋白質(zhì)合成中的翻譯準確性姆泻。在snRNA中,Ψ被預(yù)測影響結(jié)構(gòu)和RNA-RNA或RNA-RBP互作冒嫡,以在前mRNA剪接中發(fā)揮作用拇勃。Ψ還參與調(diào)節(jié)pre-mRNA加工、mRNA結(jié)構(gòu)孝凌、穩(wěn)定性方咆、翻譯準確性和終止,這是除tRNA和rRNA修飾之外的另一種翻譯調(diào)控機制(圖2蟀架、5和表1)瓣赂。

盡管Ψ在幾十年前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)榆骚,但它對多種細胞過程的貢獻才剛剛開始被揭示。與ac4C類似煌集,新事物總是需要時間來理解妓肢。闡明Ψ的erasers和readers將是未來的關(guān)鍵研究方向之一。特別是苫纤,Ψ已經(jīng)被應(yīng)用在生成高效的COVID-19 mRNA疫苗中碉钠,這是這種修飾的臨床應(yīng)用,并且對進一步研究具有潛在價值方面。


尿苷化(Uridylation,U-tail)

除了普遍的同源poly (A)尾巴之外放钦,由非模型加成組成的尿苷化似乎是3' RNA末端第二大最常見的修飾。尿苷化可以發(fā)生在包括mRNAs在內(nèi)的所有真核RNA類別上恭金,以及包括U6剪接體RNA操禀、gRNA、siRNA横腿、miRNA颓屑、Piwi互作RNA(piRNA)、rRNA和tRNA在內(nèi)的非編碼RNA上耿焊。尿苷化還靶向病毒RNA標記(圖1)揪惦。

在不同的底物中,尿苷化由不同的末端尿苷酸轉(zhuǎn)移酶(TUTases)催化罗侯,這些酶屬于非典型末端核苷酸轉(zhuǎn)移酶(TENTs)家族器腋。在核內(nèi)U6 snRNA中,U6 TUT酶(TUT1)在3'端特別添加或恢復至少四個尿苷钩杰。TUT4和/或?qū)儆赥ENT3亞家族的TUT7是其他細胞尿苷化的主要"writers"纫塌。尚未報道尿苷化erasers和修飾因子(modifiers),而尿苷化readers包括LSM1-7復合體(靶向寡尿苷化)讲弄、DIS3L2(靶向寡尿苷化和多尿苷化)和La蛋白(圖2和表1)措左。

尿苷化從多個方面改變RNA命運,包括RNA成熟避除、功能怎披、穩(wěn)定性和衰變。尿苷化對U6 snRNA成熟和3'穩(wěn)定至關(guān)重要瓶摆,以執(zhí)行剪接功能并啟動gRNA成熟凉逛。尿苷化在miRNA中的功用多樣。例如群井,TUT介導的pre-miRNA尿苷化是miRNA生物生成的關(guān)鍵步驟状飞,涉及修復或移除有缺陷的pre-miRNA、arm轉(zhuǎn)換和Dicer加工。尿苷化在miRNA 3'端可以鑒定非典型靶位點昔瞧;另一方面可能通過直接影響miRNA 3'UTR互作來消除靶基因抑制指蚁。此外,尿苷在3'端添加促進miRNA降解自晰,同樣也適用于其他小RNA凝化,如siRNAs和piRNAs。許多研究表明酬荞,尿苷化促進了5'-3'mRNA或3'-5' mRNA衰變搓劫,主要通過招募去腺苷酸酶、脫帽酶和外切核酸酶介導混巧。尿苷化還通過各種機制調(diào)節(jié)翻譯效率枪向,例如mRNA不穩(wěn)定以及rRNA和tRNA周轉(zhuǎn)。此外咧党,病毒RNA尿苷化參與抗病毒防御秘蛔。尿苷化的ncRNAs在外泌體中過表達,表明尿苷化介導RNA分選到外泌體中(圖2傍衡、4和表1)深员。

尿苷化可以作用于真核細胞中幾乎所有類別的RNA,進一步鑒定"writers"及其輔助因子在鑒定特定RNA底物方面以及調(diào)節(jié)去尿苷化和決定尿苷化轉(zhuǎn)錄本命運的erasers和readers蛙埂,無疑是深入理解調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵倦畅。尿苷化的細胞類型和疾病特異性模式在揭開尿苷化在細胞生物學中的作用方面也至關(guān)重要。


腺苷-肌苷(A-to-I)RNA編輯(Adenosine-to-inosine editing)

A-to-I編輯是一種通過脫氨作用將腺苷轉(zhuǎn)換為肌苷的RNA分子修飾绣的,是在哺乳動物中普遍存在的一種共轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后修飾叠赐。A-to-I編輯廣泛發(fā)生在pre-mRNA、mRNA屡江、非編碼RNA(如miRNA芭概、lncRNA)以及tRNA中,甚至在病毒RNA中也存在盼理。A-to-I RNA編輯通常靶向由倒置Alu重復元件形成的雙鏈RNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)谈山,這些結(jié)構(gòu)主要位于內(nèi)含子和非翻譯區(qū)域俄删,而在編碼外顯子中較少。 A-to-I編輯是腺苷殘基直接轉(zhuǎn)換為肌苷殘基過程,這不是一個傳統(tǒng)的“writer”過程阵幸,因此A-to-I編輯的“writer”也是編輯器癞埠。腺苷脫氨酶tRNA特異性1(ADAT1)負責在真核生物tRNA中將腺苷37脫氨化為肌苷,而某些tRNA上34位的A-to-I轉(zhuǎn)換由ADAT2和ADAT3催化斜脂。其他A-to-I編輯事件由作用于RNA的腺苷脫氨酶(ADAR)家族成員催化抓艳,這些在哺乳動物中保守。ADARs擁有相似的功能域結(jié)構(gòu)帚戳,包括雙鏈RNA結(jié)合域(dsRBDs)和一個較大的催化腺苷脫氨酶域玷或。ADAR有三個成員:ADAR1和ADAR2脫氨雙鏈(ds)RNA儡首,而ADAR3可以結(jié)合dsRNA以及單鏈(ss)RNA。ADAR3缺乏編輯活性偏友,可能通過與其他ADARs競爭性結(jié)合dsRNA來降低這些酶的效率蔬胯。

與其它附加化學修飾不同,A-to-I編輯可能不會受到erasers位他、modifiers和readers的進一步調(diào)控氛濒。通常這種特定腺苷編輯可以誘導轉(zhuǎn)錄組多樣性,并影響靶RNA功能鹅髓。盡管A-to-I編輯在編碼區(qū)域發(fā)生的概率相對較低舞竿,但研究表明它通過改變蛋白質(zhì)密碼子影響蛋白質(zhì)翻譯和功能。例如窿冯,在結(jié)直腸癌中骗奖,RHOQ轉(zhuǎn)錄本的A-to-I編輯導致RHOQ蛋白136位的天冬酰胺被絲氨酸替代,從而導致RHOQ活性增加和癌癥侵襲潛力增強醒串。在UTR中重归,A-to-I RNA編輯可以調(diào)節(jié)包括轉(zhuǎn)運、翻譯和降解在內(nèi)的RNA過程厦凤。例如鼻吮,ADAR1直接編輯XIAP和MDM2 mRNA的3'UTR,以促進這些mRNAs的核保留较鼓。A-to-I編輯有助于招募穩(wěn)定化的RNA結(jié)合蛋白人抗原R(HuR)到CTSS mRNA的3'UTR椎木,從而增強CTSS mRNA的穩(wěn)定性和翻譯。此外博烂,3'UTR中的A-to-I RNA編輯有抑制miRNAs與靶基因互作的潛力香椎,以阻礙轉(zhuǎn)錄后抑制活性。內(nèi)含子中的A-to-I RNA編輯通常調(diào)控可變剪接過程禽篱。例如畜伐,ADAR1缺失可能導致ABCB1基因內(nèi)含子27的可變剪接,產(chǎn)生帶有保守內(nèi)含子的轉(zhuǎn)錄本躺率,導致無意義介導的mRNA衰減和ABCB1 mRNA穩(wěn)定性降低玛界。miRNA中的A-to-I RNA編輯可能影響miRNA的生物生成和功能。A-to-I RNA編輯還抑制內(nèi)含子中的Alu元件形成雙鏈RNA結(jié)構(gòu)悼吱,導致線性mRNA和circRNAs的生成變化慎框。

一些報告表明,pri-miRNA或pre-miRNA中的A-to-I RNA編輯可能引起局部結(jié)構(gòu)構(gòu)象變化后添,導致片段化抑制和成熟miRNA生物生成減少笨枯。相反,一些A-to-I RNA編輯可能不干擾或促進miRNA生物生成。特別是ADARs也可能作為RNA結(jié)合蛋白與pre-miRNA直接結(jié)合馅精,通過不依賴于相鄰A-to-I編輯事件的方式促進miRNA加工严嗜。成熟miRNAs或siRNAs中的A-to-I編輯可能影響它們對靶mRNA的選擇和沉默效率。在lncRNAs中洲敢,A-to-I編輯可以影響它們的二級結(jié)構(gòu)阻问、穩(wěn)定性和與其他分子的互作。例如沦疾,lncRNAs中的A-to-I RNA編輯可能影響lncRNA-miRNA互作称近,因此改變它們的miRNA海綿功能。在tRNAs中哮塞,A-to-I編輯與它們的解碼能力密切相關(guān)刨秆。在病毒RNA中,A-to-I RNA編輯可以直接靶向RNA病毒的基因組或轉(zhuǎn)錄組來調(diào)控病毒致病性以及宿主先天免疫反應(yīng)忆畅。

盡管如此衡未,這個領(lǐng)域還有很多問題有待解答。編輯器如何選擇A-to-I編輯的靶位點家凯?盡管以前的研究已經(jīng)鑒定了許多人類RNA分子中的A-to-I編輯位點缓醋,但這些編輯對絕大多數(shù)RNA位點的意義仍然不清楚。由于A-to-I編輯可以通過多種機制調(diào)控基因表達绊诲,它可能是協(xié)助或替代RNA干擾的潛在方法送粱。除了影響miRNA-3'UTR和miRNA-lncRNA互作外,A-to-I編輯還可能影響miRNA-circRNA互作掂之,這尚未得到驗證抗俄。對RNA編輯的進一步研究可能為精確基因編輯提供經(jīng)驗。


小結(jié):

m6A修飾:在真核生物中最普遍和豐富的mRNA修飾世舰,通過m6A甲基轉(zhuǎn)移酶復合體(MTC)介導动雹,涉及多種細胞過程,包括轉(zhuǎn)錄跟压、成熟胰蝠、定位、翻譯和降解震蒋。

m5C修飾:在tRNA和rRNA中豐富茸塞,由NSUN家族成員和DNMT2引入,影響RNA結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性喷好。

m1A修飾:在多種RNA類型中存在翔横,與m6A修飾密切相關(guān)读跷,影響RNA分子結(jié)構(gòu)和功能梗搅。

m7G修飾:在成熟mRNA的5'帽結(jié)構(gòu)中形成,對RNA成熟、出核和翻譯有重要作用无切。

ac4C修飾:在rRNA荡短、tRNA和mRNA中發(fā)現(xiàn),由NAT10介導哆键,促進mRNA穩(wěn)定性和翻譯掘托。

Ψ修飾:在幾乎所有類型的RNA中存在,對RNA的生物發(fā)生籍嘹、結(jié)構(gòu)闪盔、穩(wěn)定性和功能有重要作用。

尿苷化修飾:在eukaryotic

? ? RNAs的3'末端發(fā)生辱士,影響RNA的成熟泪掀、功能、穩(wěn)定性和衰變颂碘。

A-to-I編輯:在RNA分子中將腺苷轉(zhuǎn)化為肌苷异赫,由ADAR家族成員催化,影響mRNA的轉(zhuǎn)運头岔、翻譯和降解塔拳。


近年來,免疫細胞異常在人類疾病中的研究進展迅速峡竣,RNA修飾在免疫細胞的多個生物學過程中發(fā)揮作用靠抑,包括發(fā)育、分化适掰、激活孕荠、遷移和極化,從而調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)攻谁,并參與某些免疫相關(guān)疾病稚伍。m6A、m5C戚宦、m1A个曙、m7G、ac4C受楼、Ψ垦搬、尿苷化修飾和腺苷-肌苷(A-to-I)RNA編輯在內(nèi)的RNA修飾在免疫細胞生物學中的關(guān)鍵作用。通過調(diào)節(jié)免疫細胞的生物學過程艳汽,RNA修飾可以參與免疫相關(guān)疾病的發(fā)病機制猴贰,如癌癥、感染河狐、炎癥和自身免疫疾病米绕。

圖6:各種癌癥中免疫細胞相關(guān)的RNA修飾

參考文獻:

CuiL, Ma R, Cai J, Guo C, Chen Z, Yao L, Wang Y, Fan R, Wang X, Shi Y. RNAmodifications: importance in immune cell biology and related diseases. SignalTransduct Target Ther. 2022 Sep 22;7(1):334. pii: 10.1038/s41392-022-01175-9.doi: 10.1038/s41392-022-01175-9. PubMed PMID: 36138023.

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