陕西
撰文 | 珊今
“Life is a relationship between molecules”，著名的生物学家 （只说生物学方面的贡献） Linus Pauling曾经如是说。蛋白质与RNA之间的相互作用影响着翻译、基因信息修复等关键的生命进程。这些相互作用是基于特定RNA结构或序列的RNA与RNA结合蛋白之间的短暂接触。事实上今天我们要介绍的文章在2021年就投稿到了bioRxiv上，这篇文章中德国海德堡大学Katharina Höfer和Andres Jäschke团队发现蛋白质和RNA也可以通过共价键紧密结合在一起，这一过程被称为“RNAylation”。2022年有两篇文章相继报道了RNAylation过程对于生物学进程的重要性 （详见 和 The mechanism of RNA capping by SARS-CoV-2 (doi:s41586-022-05185-z) ） 。
近日，德国海德堡大学Katharina Höfer和Andres Jäschke团队的上述工作以A viral ADP-ribosyltransferase attaches RNA chains to host proteins为题正式发表在了Nature上。该研究发现一种噬菌体来源的ADP-核糖基转移酶（adenosine diphosphate (ADP)-ribosyltransferases，ART）可以将自身RNA链与细菌宿主蛋白质连接在一起，即上文提到的“RNAylation”。这一过程使得噬菌体能够重新编程并迅速杀死细菌，面对愈发严峻的抗生素耐药性趋势，这一工作这可能为噬菌体疗法治疗严重细菌感染提供理论基础。
当T4噬菌体感染大肠杆菌时，细菌细胞在约25分钟内死亡，甚至要比抗生素的起效速度更快。由于噬菌体在杀灭细菌时如此有效，因此它们已被研究为抗生素的潜在替代品 （并且在抗生素被发现之前很久以前就被短暂使用过） 。T4噬菌体利用三种不同的ART来通过ADP-核糖基化改变宿主的转录和翻译过程。作者发现了其中一种名为ModB的ART，可以接受NAD或NAD-RNA作为底物，并将RNA链转移给特定的核糖体蛋白质rS1和rL2。
首先，作者利用放射性标记的NAD-RNA和荧光标记的NAD-RNA作为底物，发现ModB可以将RNA链转移给rS1，这与ModB使用NAD作为底物时的结果不同，说明ModB对NAD-RNA有特异性。作者还发现ModB对NAD-RNA的转移反应遵循了类似于ADP-核糖化的机制，即需要一个亲核性残基 （如Arg） 攻击NAD中的糖苷键，这一过程可以受到3-MB等抑制剂的抑制。作者进一步用RNase T1处理RNAylated rS1，发现32P标记仍然保留在蛋白质上，说明RNA与蛋白质之间是共价键连接。
ADP-核糖基化和RNAylation的机制
作者接着利用质谱分析鉴定了ModB转移RNA链的位点，发现rS1蛋白的修饰位点为R139和R142。那ModB识别Arg是如何实现特异性的呢？作者分析了已知目标蛋白质的结构特征。研究发现rS1包含寡核苷酸结合 （Oligonucleotide-binding，OB） 折叠域，后续的研究验证了ModB正是通过该结构域实现了特异性修饰。OB折叠域的一种变体是S1结构域，它在rS1中以六个序列不同的副本存在，而R139和R142就位于第二个副本上。作者也发现ModB可以催化RNase E和rS2的RNAylation，二者也均含有OB折叠域。
作者最后利用突变体分析了ModB对噬菌体感染周期的影响，发现表达ModB的失活突变体 （R73A， G74A） 的噬菌体比野生型噬菌体具有更低的爆发量和更慢的裂解速度。这表明ModB通过RNAylation改变了宿主细胞的蛋白质合成能力或选择性，导致细菌的mRNA翻译关闭，从而促进了噬菌体基因组的复制和表达。
总之，这项研究揭示了噬菌体病毒通过RNAylation对宿主细菌基因表达进行操控的机制，并挑战了RNA和蛋白质相互作用的传统观念，这对于我们理解这些生物过程进而开发出新的疗法具有重大意义。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06429-2
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