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Cell | 磷酸骨架表观转录组学:天然RNA硫代磷酸修饰及其写入酶系统的发现

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撰文 |水王星

在RNA生物学中,转录后修饰被称为 表观转录组(epitranscriptome) 。已知天然RNA修饰超过150种,但它们几乎全部发生在核糖或碱基上。磷酸骨架长期被视为只负责连接核苷酸的惰性支架,从未发现天然修饰。与此同时,硫代磷酸酯(phosphorothioate,PS)修饰在治疗性寡核苷酸中广泛应用,它用硫原子取代磷酸上非桥接氧,可提高核酸酶抗性和生物利用度。细菌和古菌DNA中早已发现PS修饰,但天然RNA中是否存在PS一直缺乏可靠证据。此前有质谱研究提示细菌和真核RNA可能存在PS,后续却被证明信号误判为核糖甲基化。因此, 领域内亟需正交验证、单核苷酸分辨率的方法,来回答天然RNA磷酸骨架是否真的存在修饰,以及谁负责写入、有何功能。

近日,来自 魏茨曼科学研究所Schraga Schwartz、科罗拉多州立大学Thomas J. Santangelo、东京都立大学Masato Taoka团队 在Cell期刊发表了题为Phosphate backbone epitranscriptomics: Discovery of natural RNA phosphorothioates and their writer machinery的研究论文。 该研究开发了两种正交的PS检测方法,在多种古菌中发现了天然存在的RNA PS修饰,并鉴定出负责其写入的Esti酶家族。这些修饰位于rRNA和tRNA的保守热点,受硫可用性和温度动态调控,并参与tRNA稳定性和高温生长。


为了在单核苷酸分辨率下精准定位RNA上的硫代磷酸修饰位点,研究团队开发了两种正交的检测方法 。第一种是基于碘特异性切割硫代磷酸键原理的Io-seq测序技术,通过对比碘处理组与对照组的RNA断裂位点,可定量检测修饰位点;另一种是多重化版本的mlo Io-seq,可同时处理最多32个样本,提升检测通量与定量准确性。同时,研究团队还采用液相色谱 - 串联质谱(LC-MS/MS)技术,从化学层面直接验证修饰的存在与立体构型。

利用上述方法,研究团队在嗜热古菌Thermococcus kodakarensis中首次发现了天然RNA硫代磷酸修饰。 这些修饰集中出现在16S rRNA的两个保守位点,以及多种tRNA的D茎10-11位,均为Rp构型的立体特异性修饰 。进一步实验发现,这些修饰的水平受环境调控,培养基中的硫元素含量会显著影响修饰水平,同时部分位点的修饰程度随生长温度升高而上升。

在此基础上,研究团队鉴定出了负责写入RNA硫代磷酸修饰的酶家族,并将其命名为Esti(enzyme for sulfur transfer to internucleotide linkages,核苷酸间硫转移酶)。该家族可分为两个亚类:Esti-A包含PUA结构域,Esti-B包含THUMP样结构域,二者均拥有保守的PAPS还原酶结构域与全新的PAD结构域。基因敲除实验显示,Esti-A家族的TK1315负责tRNA上的硫代磷酸修饰,敲除该基因后tRNA的修饰完全消失;而Esti-B家族的TK2167负责rRNA的修饰,该基因对细胞存活至关重要,无法成功敲除。

跨物种进化分析显示,Esti酶家族仅存在于厌氧古菌中,其中Esti-B的分布与物种的最适生长温度高度相关,提示其在高温适应中的作用。功能实验证实,缺失tRNA硫代磷酸修饰的突变株在95℃高温下生长显著变慢;体外熔解实验证明, 硫代磷酸修饰可直接提升tRNA的热稳定性,使解链温度升高1.3℃至2.9℃ 。结构分析进一步发现,rRNA上的硫代磷酸修饰位点均位于核糖体的功能核心区,包括肽基转移酶中心、tRNA结合的P位与E位,且暴露于核糖体表面,提示其可能调控核糖体功能。

这项研究首次将天然RNA修饰的范畴从碱基与核糖拓展到了磷酸骨架,改写了表观转录组的定义边界。新发现的Esti酶家族为位点特异性、立体特异性的RNA骨架编辑提供了天然的工具,有望应用于RNA生物技术与核酸药物研发。同时,这一发现也为理解极端环境微生物的生存适应机制、探索RNA修饰的进化起源提供了全新的视角。


https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.034

制版人: 十一

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