专家点评Cell | 能否改写教科书？糖基化修饰的新载体——glycoRNA

撰文 | 胡小话

点评丨伊成器（北京大学生命科学学院教授）

责编 | Qi

糖基化修饰调控细胞内很多重要的生理功能。比如说，蛋白质的正确折叠和运输离不开糖基化的参与，此外，细胞膜上的糖蛋白和糖脂在细胞之间的交流过程中也扮演着不可或缺的角色。因此，传统的观点认为蛋白质和脂类是糖基化修饰的主要载体，但这一观点如今或将被改写。

2021年5月17日，来自斯坦福大学化学系的Carolyn R. Bertozzi和Ryan A. Flynn研究团队在Cell杂志上发表了题为Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells的研究文章，首次报道RNA是除了蛋白质和脂类之外第三个主要的糖基化载体，并揭示了其在细胞膜表面可能具有重要的生理功能。

该研究工作基于他们之前开发的一种糖基化组学的鉴定方法【1，2】。简而言之，通过给前体糖基标记上一个叠氮基团（例如本研究用到的AC4ManNAz），一旦它们被整合到细胞内的糖蛋白 (也包括脂类) 组之后就可以与biotin探针交联，从而被富集以及进行后续的鉴定分析。借助这样一个系统，作者在被标记的细胞中富集到了高纯度的RNA样品，这说明RNA上可能也存在糖基化。但在此之前，还没有人将糖基化与RNA联系在一起，于是作者由此展开了探究。

作者首先利用RNA印记实验证实AC4ManNAz处理可以浓度梯度和时间梯度的升高细胞内glycoRNA的水平，并排除了体系中DNA与蛋白质的干扰。此外，他们在AC4ManNAz处理的小鼠肝脏和脾脏组织中也同样检测到了被标记的RNA。这些实验结果表明glycoRNA无论是在体外培养的细胞系还是动物体内都是广泛存在的。

在此基础上，作者尝试去回答围绕glycoRNA的两个核心问题。第一，细胞中哪些RNA上存在糖基化修饰？第二，glycoRNA上糖基的结构是什么？通过蔗糖梯度离心实验，作者发现这些糖基化的RNA主要是小RNA (<200nt)。而更进一步的研究结果显示glycoRNA主要存在于Y RNA中（一类小细胞核RNA）。接下来，借助多孔石墨化碳柱液质分析系统 (PGC-LC-MS)，作者在RNA样品中共鉴定到107个潜在的糖基化前体分子，有意思的是，与蛋白质的糖基化不同，这些修饰在RNA上的聚糖主要是一些小分子的基团，且种类更加集中。例如，在293T和H9细胞的glycoRNA中富集到大量的盐藻糖, 而在HeLa细胞的glycoRNA则包含大量的唾液酸修饰。此外，作者发现glycoRNA的产生依赖于经典的蛋白质N-糖基化的代谢途径。

最后，作者试图去寻找这些glycoRNA潜在的生理功能。首先，作者发现这些glycoRNA主要富集在活细胞的细胞膜外部，由此作者推测这些定位于细胞表面的glycoRNA可能会与细胞膜上的糖蛋白和糖脂具有类似的功能，例如参与细胞之间的交流，连接等等。进一步的研究则表明，这些细胞膜上的glycoRNA 不仅可以被RNA抗体所特异性识别，还可以与同样定位在细胞膜上的唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素受体 (Siglec receptor) 结合，这说明除了糖蛋白和糖脂，GlycoRNAs也可以充当Siglec 受体的直接配体，并在免疫调控中发挥重要的生理功能。

总的来说，该研究团队的发现具有十分重大的科学意义：首先，他们揭示RNA也可以作为糖基化的载体，并且证实了glycoRNA在体内是广泛存在的，首次将糖生物学与RNA联系在一起，开辟了一个新的研究领域。其次，他们的研究发现GlycoRNA可以充当细胞膜Siglec 受体的直接配体。考虑到Siglec 受体在免疫调控中的重要功能【3】，这意味着GlycoRNA在宿主免疫防御、肿瘤免疫逃逸、自身免疫性疾病等生理和病理过程中可能发挥重要作用，而这项研究则推开了这一研究领域的大门。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.023

专家点评

伊成器 教授（北京大学生命科学学院，北大-清华生命科学联合中心）

糖基化调节着多种重要的生命过程，并通常修饰蛋白质和脂质。在最近发表于Cell的一个工作中，Flynn博士和他的同事报道了一个有趣的发现：RNA也发生了糖基化。他们通过代谢标记、RNA测序等化学与生物学手段，发现一组小RNA可以被糖基化，其中Y-RNA和一些snRNA、snoRNA分子优先被糖基化。他们进一步表明，glycoRNAs由N-聚糖而不是O-聚糖组成，并且富含唾液酸与岩藻糖。更令人惊奇的是，这些糖基化的小RNA可以定位于细胞表面，并且被糖基化结合受体所识别。

虽然在RNA上发现了超过100种不同类型的修饰，但从来没有报道过聚糖可以作为一种“修饰”，发生在RNA上。之前，只有简单的单糖RNA修饰是已知的，例如，queuosine及其衍生物。因此，复杂聚糖作为一种新型RNA修饰，无疑是一个极其意外和新颖的发现。这一工作连接了糖生物学和RNA生物学两个完全不同的领域，并为未来的研究工作开辟了崭新的方向。

与许多“开天辟地”的重要发现一样，这一工作也留下了诸多谜团，有待未来的科研工作进行阐明：（1）糖基化RNA的分子结构没有被定义。聚糖是直接连接在RNA上，还是在N-聚糖和RNA之间有一个连接分子或连接结构？作为一种新型的RNA修饰，其精确化学结构的鉴定至关重要；（2）glycoRNA的修饰酶及催化途径尚不明确。尽管作者表明参与糖蛋白生物合成的已知酶也作用于glycoRNA，但将聚糖（或者第一步反应是催化单糖？）与RNA连接起来，是否是一个酶促过程尚不清楚。尤其是考虑到催化聚糖的酶与蛋白质、脂质是共享的，如果有一种特异性催化糖基化RNA的酶，对于这种新修饰未来的生物学功能与机制研究将是至关重要的；（3）糖基化RNA的细胞定位及其定位机制有待进一步解析。也许可以基于聚糖和RNA的相邻性，设计邻近标记，从而实现其活细胞上的成像；（4）糖基化RNA的修饰水平未知，其生物学功能与意义有待解析。

基于糖基化RNA分子细胞表面定位的特点，除了其生物学功能与调控之外，也许会给人一系列的想象空间：从合成生物学的角度，glycoRNA是否可以作为单细胞的一种新型二元条形码？尤其是RNA可扩增的特点，也许会使得这一条形码非常便捷；从临床医学的角度，glycoRNA是否可以作为疾病诊疗的全新生物标志物？抑或glycoRNA是否会被分泌，从而具有外泌体的一些特征和用途？当然，在产生众多假设之前，也许需要通过大量的工作，首先解答包括上述提及的一些glycoRNA的基本和关键问题，从而有序推进这一全新领域的发展。

参考文献

1. Hang, H.C., Yu, C., Kato, D.L., and Bertozzi, C.R. (2003). A metabolic labeling approach toward proteomic analysis of mucin-type O-linked glycosylation.Proc. Natl. Acad. Sci. USA100, 14846–14851.

2. Saxon, E., and Bertozzi, C.R. (2000). Cell surface engineering by a modified Staudinger reaction.Science287, 2007–2010.

3. Duan, S., and Paulson, J.C. (2020). Siglecs as Immune Cell Checkpoints in Disease.Annu. Rev. Immunol.38, 365–395.