Nature Commun | 北京大学陈雪梅团队揭示NAD+帽子修饰参与基因表达调控的新机制

RNA修饰作为一种关键的表观遗传调控机制已经被广泛研究。迄今为止，已经发现了几百种RNA化学修饰，包括N1-甲基腺嘌呤 （m1A） 、N 6 -甲基腺嘌呤 （m6A） 、5-甲基胞嘧啶 （m5C） 等。近年来，越来越多的研究揭示：真核生物mRNA的5’末端除了存在典型的m 7 G加帽修饰外，还存在多种新型的5’端非典型加帽修饰，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、 脱磷酸辅酶A（dpCoA）等等。其中NAD+帽子修饰RNA（NAD-capped RNA）已经在不同生物体中被广泛鉴定到，包括在原核生物（如大肠杆菌、枯草杆菌、委内瑞拉链霉菌和沙眼衣原体）、真核生物（如酵母、哺乳动物细胞和植物）以及古细菌中。研究发现，不同生物体中的NAD-RNA种类各异。细菌中的编码蛋白mRNA和一些小型调控RNA、古细菌和真核生物中不同类型的RNA都已经被证明存在NAD + 加帽修饰，强调了研究NAD-RNA生物合成、代谢和功能的重要性。

目前已经确定有两类NAD-RNA脱帽酶，分别在原核和真核生物中被相继发现。第一类脱帽酶（Class-I）以大肠杆菌的Nudix水解酶NudC为代表，其可以通过裂解NAD + 帽子内部的焦磷酸键，释放烟酰胺单核苷酸（NMN），从而产生一个5’单磷的RNA（p-RNA）。真核生物中的NudC同源蛋白（如酵母中的Npy1和哺乳动物细胞中的Nudt12/16）也已经被证明是NAD-RNA的脱帽酶。第二类脱帽酶（Class-II）是以酵母、拟南芥和哺乳动物中的DXO/Rai1家族酶为代表的一类酶，其可去除整个NAD + 帽修饰，生成p-RNA。酵母中的5’-3’外切核酸酶Xrn1和Rat1也可以以同样的方式去除NAD + 帽子修饰，但主要作用于线粒体NAD-RNA。然而，NudC和DXO/Rai1两类酶也可作用于FAD帽子修饰和dpCoA帽子修饰的RNA，并非特异地作用于NAD-RNA。

2024年3月15日，北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心陈雪梅课题组在Nature Communications发表了题为Toll/interleukin-1 receptor(TIR) domain-containing proteins have NAD-RNA decapping activity的研究论文，鉴定了一个新的非典型帽子修饰RNA（NAD-capped RNA）脱帽酶，揭示了NAD + 帽子修饰参与基因表达调控的新机制。

该研究首次发现来自细菌和古细菌的TIR结构域蛋白具有强烈的NAD-RNA脱帽酶活性，能够从NAD + 帽子修饰中去除NAM基团，产生一种新的非典型加帽修饰RNA（即环化ADPR-RNA或者其变体）。同时，研究还发现该TIR结构域蛋白介导的NAD-RNA脱帽活性高度依赖于谷氨酸残基催化位点，且在促进TIR结构域蛋白寡聚的条件下表现出增强的活性。TIR结构域蛋白显示出特异于其他已知脱帽酶的性质，即可以特异性地作用于NAD-RNA，而不作用于其他非典型帽子修饰的RNA。

研究进一步证明，AbTir在细菌体内具有功能——在大肠杆菌中诱导表达AbTir蛋白可抑制细胞生长，显著降低游离NAD+和NAD-RNA的水平。全转录组范围内的NAD-RNA测序分析表明，大肠杆菌中一小部分涉及“分子运输”和“氧化还原酶活性”的基因产生的NAD-RNA易受到AbTir的靶向。本研究首次证明了TIR结构域蛋白具有NAD-RNA脱帽活性，提示它们在体内可能也参与NAD-RNA的动态调控，为后续研究NAD-RNA的生物学功能提供了良好的基础。有趣的是，TIR结构域蛋白被频繁报道参与生物体的抗病免疫过程，然而其背后的作用机制尚不完全清楚。本研究结果暗示TIR结构域蛋白可能通过影响NAD-RNA的表达水平在生物学抗病免疫中发挥作用，进一步的研究将有助于挖掘生物体抗病免疫新机制。

图1：三种不同的NAD-RNA脱帽机制总结。

北京大学生命科学学院助理研究员王旭峰博士、德国科隆大学生物化学研究所于东立博士（现为美国波士顿哈佛医学院Dana-Farber癌症研究所博士后）为论文共同第一作者；北京大学生命科学学院陈雪梅教授为论文通讯作者；该工作还得到了美国犹他大学医学院Qi Chen教授和西湖大学柴继杰教授的帮助和指导。该研究得到了National Institutes of Health （NIH）、科技部国家重点研发计划项目的资助。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-46499-y

陈雪梅：北京大学生命科学学院教授、北京大学-清华大学生命科学联合中心研究员、博士生导师。现任北京大学生命科学学院院长、核糖核酸（RNA）北京研究中心主任。

实验室研究领域：

主要以模式植物拟南芥为研究材料，综合运用遗传学、基因组学、生物化学、细胞生物学及生物信息学等手段研究植物小RNA及RNA修饰，主要研究内容包括：1）小RNA合成代谢、细胞间和长距离运输以及作为信号分子参与植物高温应答的机制；2）mRNA非典型加帽修饰的检测鉴定、合成与去除机理、以及在植物-细菌-环境互作中发挥的生物学功能；3）开发应用于可定向改变及优化农艺性状的RNA技术；4）叶绿体发育，基因表达及其RNA修饰。