《Cell》tRNA 修饰调控 m6A 依赖的 mRNA 衰变：开启转录后基因调控新视角

在生命的微观世界里，基因表达调控如同精密的仪器，控制着细胞的各种活动。其中，mRNA 的化学修饰在基因表达调控中起着关键作用。N⁶- 甲基腺苷（m⁶A）作为一种广泛存在于 mRNA 上的修饰，参与了众多生物学过程，如 mRNA 的剪接、转运、定位和翻译等。然而，目前对于 m⁶A 如何影响 mRNA 的命运，尤其是它在 mRNA 衰变过程中的具体机制，仍存在许多未解之谜。例如，m⁶A 在 mRNA 上的非随机分布模式对其功能有何影响？它又是如何与其他 RNA 修饰协同作用来调控基因表达的？这些问题吸引着科研人员不断探索。

为了解开这些谜团，来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）、马克斯?普朗克分子生物医学研究所、伯尔尼大学等多个研究机构的研究人员开展了深入研究。他们发现，m⁶A 在 mRNA 的编码序列（CDS）中能够加速 mRNA 的衰变，并且这种衰变依赖于核糖体的翻译过程。同时，tRNA 上的 5 - 甲氧基羰基甲基 - 2 - 硫尿苷（mcm⁵s²U）修饰可以调节 m⁶A 修饰密码子的解码效率，二者相互作用，共同调控 mRNA 的稳定性。此外，研究还表明，m⁶A 和 mcm⁵s²U 系统在癌症中发挥着重要作用，其失衡与肿瘤的侵袭性和不良预后相关。这一研究成果发表在《Cell》杂志上，为转录后基因调控机制提供了新的见解，也为癌症的诊断和治疗提供了潜在的靶点和生物标志物。

研究人员在此次研究中用到了多种关键技术方法。通过 miCLIP 技术在单核苷酸分辨率下绘制 m⁶A 图谱，以此确定 m⁶A 在 mRNA 上的位点；利用核糖体谱分析技术，研究核糖体在 mRNA 上的解码情况，进而了解 m⁶A 对翻译的影响；借助 CRISPR-Cas9 基因编辑技术构建 mcm⁵s²U 缺陷细胞系，探究 mcm⁶s²U 修饰的功能；分析 TCGA 和 METABRIC 等癌症患者样本队列数据，揭示 m⁶A 和 mcm⁵s²U 系统与癌症的关联。

下面详细介绍研究结果：

• m⁶A 在 CDS 中增加 mRNA 衰变：研究人员利用 miCLIP 技术在 HEK293T 细胞中全面绘制 m⁶A 图谱，并将 mRNAs 根据 m⁶A 位点的位置进行分层分析。结果显示，含有 m⁶A 的 CDS 的 mRNAs 具有更高的衰变率，而仅在 3′UTR 中含有 m⁶A 的 mRNAs 则更稳定。通过构建报告基因实验，进一步验证了 m⁶A 在 CDS 中可触发 mRNA 快速周转。

• m⁶A 耦合 mRNA 翻译与 mRNA 衰变：用翻译抑制剂处理报告基因表达的细胞，发现 CDS m⁶A 报告基因的衰变明显受到抑制，表明其衰变依赖于翻译。在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中，对 Klf4 和 Nanog 等内源性 m⁶A 靶标的研究以及转录组范围的 mRNA 衰变分析，均证实了 m⁶A 依赖的 mRNA 衰变是由含有 m⁶A 的 CDS 的翻译介导的。

• m⁶A 在体内损害解码：通过核糖体谱分析发现，m⁶A 修饰的密码子在体内解码效率较低，其核糖体占有率高于未修饰的密码子。用 STM2457 抑制 m⁶A 形成后，修饰密码子的占有率降至基线水平，这表明 m⁶A 修饰会降低密码子的最优性。

• m⁶A 诱导密码子特异性效应：由于 METTL3 识别的 DRACH 基序，其可修饰九种有义密码子。研究发现，m⁶A 对不同密码子的解码影响程度不同，这取决于密码子 - 反密码子相互作用的强度。例如，GGA 密码子未修饰时占有率低，且不受 m⁶A 影响；而 GAA 密码子修饰后占有率显著增加。

• mcm⁵s²U 在 tRNA 反密码子中解码 m⁶A：mcm⁵s²U 修饰的 tRNA 可以促进 m⁶A 修饰密码子的解码。在 mcm⁵s²U 缺陷细胞中，m⁶A 修饰密码子的核糖体占有率显著增加，且核糖体碰撞增多，mRNA 衰变加速。通过构建不同密码子的报告基因实验，进一步证实了 m⁶A 和 mcm⁵s²U 在特定密码子上的组合效应控制着 mRNA 的衰变。

• mcm⁵s²U 和 m⁶A 控制致癌通路的表达：在 mcm⁵s²U 缺陷细胞中，抑制 m⁶A 会导致 mRNA 的上调，且这种上调依赖于 CDS 中 m⁶A 的水平。对癌症相关基因集的分析表明，m⁶A 通过耦合 mRNA 的翻译与快速衰变来控制关键信号通路的表达，而 mcm⁵s²U 则可抵消 m⁶A 的作用，稳定重要信号通路的 mRNA。

• mcm⁵s²U/m⁶A 平衡是癌症生物标志物：在正常组织和肿瘤样本中，mcm⁵s²U 生物发生因子与 m⁶A 生物发生因子的表达比例与组织的干性和肿瘤的发生相关。在乳腺癌患者队列中，mcm⁵s²U 因子与不良预后相关，而 m⁶A 因子则与较好的预后相关。通过计算 pan-epitranscriptomic 基因表达特征，可以预测患者的生存情况，并对不同癌症的分子亚型进行分层。

研究结论和讨论部分指出，mRNA 和 tRNA 上的化学修饰在细胞内相互作用，共同调节 mRNA 的半衰期，维持生理基因表达。这种基于修饰核苷酸的转录后调控机制，可能独立于传统的反式作用因子，为解释 m⁶A 修饰的 mRNA 如何避免过早降解提供了新的思路。此外，研究还发现 tRNA 反密码子环上的其他修饰与 m⁶A 之间也存在复杂的相互作用，这进一步凸显了 pan-epitranscriptomic 相互作用的复杂性。从进化角度来看，脊椎动物中 tRNA 修饰谱的扩展可能与利用 m⁶A 进行 mRNA 周转的同时维持翻译效率有关。在癌症研究方面，mcm⁵s²U/m⁶A 系统可能是多种癌症的潜在治疗靶点和生物标志物，为癌症的精准治疗提供了新的方向。然而，该研究也存在一些局限性，如难以精确量化单个 mRNA 上的效应大小，无法排除细胞处理过程中 m⁶A 位点变化的影响，以及需要进一步明确该系统在致癌过程中的具体作用机制等。尽管如此，这项研究依然为生命科学和健康医学领域的研究开辟了新的道路，有望推动相关领域的进一步发展。

《Cell》：tRNA modifications tune m6A-dependent mRNA decay