Nat Commun | 陳雪梅團隊揭示了NAD+帽子修飾參與基因表達調控的新機制

2024年03月16日17:45:05 科學 1798

引言

RNA修飾作為一種關鍵的表觀遺傳調控機制已經被廣泛研究。迄今為止，已經發現了幾百種RNA化學修飾，包括N1-甲基腺嘌呤（m¹A）、N⁶-甲基腺嘌呤（m⁶A）、5-甲基胞嘧啶（m⁵C）等。近年來，越來越多的研究揭示：真核生物mRNA的5’末端除了存在典型的m⁷G加帽修飾外，還存在多種新型的5’端非典型加帽修飾，如煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、脫磷酸輔酶A（dpCoA）等等。其中NAD⁺帽子修飾RNA（NAD-capped RNA）已經在不同生物體中被廣泛鑒定到，包括在原核生物（如大腸桿菌、枯草桿菌、委內瑞拉鏈黴菌和沙眼衣原體）、真核生物（如酵母、哺乳動物細胞和植物）以及古細菌中。研究發現，不同生物體中的NAD-RNA種類各異。細菌中的編碼蛋白mRNA和一些小型調控RNA、古細菌和真核生物中不同類型的RNA都已經被證明存在NAD⁺加帽修飾，強調了研究NAD-RNA生物合成、代謝和功能的重要性。

2024年3月15日，北京大學生命科學學院和北大-清華生命科學聯合中心陳雪梅課題組在Nature Communications發表了題為Toll/interleukin-1 receptor(TIR) domain-containing proteins have NAD-RNA decapping activity 的研究論文，該研究首次發現來自細菌和古細菌的TIR結構域蛋白具有強烈的NAD-RNA脫帽酶活性，能夠從NAD⁺帽子修飾中去除NAM基團，產生一種新的非典型加帽修飾RNA（即環化ADPR-RNA或者其變體）。同時，研究還發現該TIR結構域蛋白介導的NAD-RNA脫帽活性高度依賴於谷氨酸殘基催化位點，且在促進TIR結構域蛋白寡聚的條件下表現出增強的活性。TIR結構域蛋白顯示出特異於其他已知脫帽酶的性質，即可以特異性地作用於NAD-RNA，而不作用於其他非典型帽子修飾的RNA。

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目前已經確定有兩類NAD-RNA脫帽酶，分別在原核和真核生物中被相繼發現。第一類脫帽酶（Class-I）以大腸桿菌的Nudix水解酶NudC為代表，其可以通過裂解NAD⁺帽子內部的焦磷酸鍵，釋放煙酰胺單核苷酸（NMN），從而產生一個5’單磷的RNA（p-RNA）。真核生物中的NudC同源蛋白（如酵母中的Npy1和哺乳動物細胞中的Nudt12/16）也已經被證明是NAD-RNA的脫帽酶。第二類脫帽酶（Class-II）是以酵母、擬南芥和哺乳動物中的DXO/Rai1家族酶為代表的一類酶，其可去除整個NAD⁺帽修飾，生成p-RNA。酵母中的5’-3’外切核酸酶Xrn1和Rat1也可以以同樣的方式去除NAD⁺帽子修飾，但主要作用於線粒體NAD-RNA。然而，NudC和DXO/Rai1兩類酶也可作用於FAD帽子修飾和dpCoA帽子修飾的RNA，並非特異地作用於NAD-RNA。

本研究證明，AbTir在細菌體內具有功能——在大腸桿菌中誘導表達AbTir蛋白可抑制細胞生長，顯著降低遊離NAD+和NAD-RNA的水平。全轉錄組範圍內的NAD-RNA測序分析表明，大腸桿菌中一小部分涉及“分子運輸”和“氧化還原酶活性”的基因產生的NAD-RNA易受到AbTir的靶向。本研究首次證明了TIR結構域蛋白具有NAD-RNA脫帽活性，提示它們在體內可能也參與NAD-RNA的動態調控，為後續研究NAD-RNA的生物學功能提供了良好的基礎。有趣的是，TIR結構域蛋白被頻繁報道參與生物體的抗病免疫過程，然而其背後的作用機制尚不完全清楚。本研究結果暗示TIR結構域蛋白可能通過影響NAD-RNA的表達水平在生物學抗病免疫中發揮作用，進一步的研究將有助於挖掘生物體抗病免疫新機制。