PNAS｜张敏杰、李孔潘、白建慧与鲁志鹏 团队揭示snoRNA-tRNA的化学修饰网络对细胞命运的调控

　　

tRNA作为翻译机器的核心零件，其种类、数量和化学修饰状态在不同细胞、不同组织器官和不同发育时期均受到严格调控，直接影响着蛋白质的表达、代谢、及生物的生长发育过程。tRNA 供应和密码子使用需求之间的动态平衡是“细胞经济学”中翻译优化的基本原则。然而，这种平衡的调节机制和功能仍不清楚。

snoRNA是一大类非编码RNA 分子，主要负责介导靶 RNA 的化学修饰，比如2'-O核糖甲基化和假尿苷异构化。自从60年代首次发现snoRNA至今，在人类基因组中大约有2000 种已被鉴定（其多样性与miRNA不相上下）。snoRNA的突变与表达异常会导致多种癌症，代谢疾病，神经发育不良及退行性病变。 尽管它们在各种疾病中的作用非常广泛，但是对他们的靶点了解甚少。目前大约只有200-400种 snoRNA已知可以控制核糖体RNA和小核RNA的修饰。数十年来，绝大部分snoRNA的靶点、作用机制及其功能一直是核酸领域一个悬而未决的重要问题。

2023年10月 4日，南加州大学的鲁志鹏课题组在PNAS杂志发表文章“A snoRNA-tRNA modification network governs codon-biased cellular states”，首次揭示了一个全新的 snoRNA-tRNA 相互作用的网络，阐述了snoRNA控制tRNA修饰、稳定性、密码子偏好、翻译效率、以及干细胞发育的机制 1。

首先，研究人员通过使用该实验室发明的 PARIS技术2,3捕获了超过7000种snoRNA的靶点，包括各种类型的非编码RNA，其中有接近1000种snoRNA-tRNA 相互作用。结构建模与保守性分析、RNA-蛋白质相互作用分析、CRISPR敲除以及优化的RNA 2'-O甲基化修饰测序等方法进一步验证了这些新发现的snoRNA靶点。其中一部分在很多物种中高度保守，甚至存在于一些古菌类群中 – 尽管它们与真核生物已经分开了超过15亿年。

该研究首次证实了snoRNA-tRNA 之间的相互作用网络控制全局 tRNA 修饰，包括tRNA 2'-O-甲基化以及很多其他修饰等。snoRNA 及其引导的 2'-O-甲基转移酶 FBL的缺失会诱导产生 tRNA 片段 -- 一 大类调节性RNA。利用CRISPR 技术敲除snoRNA D97/D133 家族，会显著降低几种靶 tRNA 的活性和水平，包括参与延伸过程的(e)Met-CAU，进而改变转录翻译过程密码子的识别。该研究表明，HEK293 细胞中的 D97/D133 单敲除和双敲除会抑制富含甲硫氨酸（ Met）等增殖相关基因的表达（与翻译、剪接和线粒体能量代谢通路等相关）；但会促进Met含量较少的基因的表达（与发育、分化和形态发生等相关）。

更有意思的是这一snoRNA-tRNA 修饰网络并非一个偶然事件，可能来源于生命对氧化应激的防卫–一个绝大多数物种进化中所必须面对的难题。蛋白质中的甲硫氨酸（methionine）是少数几种在氧化之后可以被原位修复的氨基酸。这一特性被所有物种广泛用于保护蛋白质免受氧化损伤，类似于军事装备中所常用的“反应装甲”，或者X战警的金刚狼一样“自愈”。 长寿命的或者接近活性氧来源的蛋白质往往和细胞生长增殖相关，并使用更多的甲硫氨酸，而调控发育的蛋白质一般寿命较短，相对来说含有更少的甲硫氨酸。 这就导致了甲硫氨酸所对应的tRNA （eMet-tRNA）成为调控生长与发育的关键 – 任何影响eMet-tRNA的机制都会直接影响这两个往往互相对立的生命事件 。

更进一步，在小鼠胚胎干细胞发育模型中，snoRNA D97/D133 的敲低和敲除，会促使其倾向分化为中胚层和内胚层，例如心肌细胞；而对胚胎干细胞的多能性并无影响，甚至有增强多能性的趋势。该发现与人类细胞中（HEK293）促进发育相关基因表达机制一致。该研究尤其对于心脏损伤与疾病的治疗有重要的启示。通过调控snoRNA的活性，我们可以快速制造成熟的心肌细胞以加快其在再生医学方面的应用。

总结，这项工作揭示了snoRNA更广泛的调控靶标，特别是那些调控靶点未知的orphan snoRNAs，解决了困扰RNA领域30年的一个重要问题，并表明 snoRNA 通过影响tRNA水平和密码子的使用偏好性，进而控制细胞增殖和发育的新功能。这些结果开辟了一个全新的方向，对于进一步理解一大类snoRNA的生化机制，生理作用，以及临床应用指明了道路。

该项研究通讯作者为南加州大学教授-鲁志鹏。共同第一作者为张敏杰（现天津医科大学教授），南加州大学博士后李孔潘与白建慧。其他作者包括 Ryan Van Damme, Mario Alba, Wei Zhang, Bangyan L. Stiles, Jian-Fu Chen. 南加州大学鲁志鹏实验室（[e-mail]）正在招聘博士后，主要进行RNA相关的技术开发，及其在多种发育生物学问题和人类疾病方面的应用（https://www.rnasociety.org/postdoctoral-positions--rna-interactions-and-modification-mechanisms-in-human-diseases-2）。天津医科大学张敏杰实验室（[e-mail]）公开招聘在编教师，欢迎感兴趣的同学报名联系。

 

参考文献

1.      Zhang, M., Li, K., Bai, J., Van Damme, R., Zhang, W., Alba, M., Stiles, B.L., Chen, J.-F., and Lu, Z. (2023). A snoRNA–tRNA modification network governs codon-biased cellular states. Proceedings of the National Academy of Sciences 120, e2312126120. doi:10.1073/pnas.2312126120.

2.      Lu, Z., Zhang, Q.C., Lee, B., Flynn, R.A., Smith, M.A., Robinson, J.T., Davidovich, C., Gooding, A.R., Goodrich, K.J., Mattick, J.S., et al. (2016). RNA Duplex Map in Living Cells Reveals Higher-Order Transcriptome Structure. Cell 165, 1267-1279. 10.1016/j.cell.2016.04.028.

3.      Zhang, M., Li, K., Bai, J., Velema, W.A., Yu, C., van Damme, R., Lee, W.H., Corpuz, M.L., Chen, J.-F., and Lu, Z. (2021). Optimized photochemistry enables efficient analysis of dynamic RNA structuromes and interactomes in genetic and infectious diseases. Nature Communications 12, 2344. 10.1038/s41467-021-22552-y.