Cell背靠背丨tRNA修饰可调控m⁶A依赖性mRNA降解

撰文丨章台柳

表观转录组标记N6-甲基腺苷（m6A）调控mRNA的加工与代谢过程，包括前体mRNA剪接、成熟mRNA的核输出、定位及翻译等环节。但目前最明确的m⁶A功能是对mRNA降解的调控作用。m⁶A由甲基转移酶核心复合体（MTC）共转录修饰，该复合体包含METTL3、METTL14、WTAP及辅助因子RBM15、VIRMA、CBLL1和ZC3H13。MTC能与RNA聚合酶II、修饰的组蛋白H3K36及转录辅因子相互作用。在新生RNA中，复合体的催化亚基METTL3会甲基化DRACH序列基序（D代表A/G/T；R代表A/G；H代表A/C/T）。值得注意的是，转录组中仅有少量DRACH基序被修饰，因为外显子连接复合体（EJC）会屏蔽DRACH基序的甲基化，从而将m⁶A导向长的内部外显子和末端外显子区域【1】。这导致m⁶A在mRNA上的分布不均匀，其丰度在终止密码子附近显著富集。然而，这种非随机分布模式如何影响m⁶A的功能目前尚不清楚。

m⁶A的生物学效应被认为通过"阅读器"蛋白以m⁶A依赖的方式结合mRNA来实现。尽管介导m⁶A依赖性mRNA降解的分子机制尚未完全解析，但已证实YTH结构域家族蛋白（YTHDF1/2/3）参与这一过程。这些蛋白能招募CCR4-NOT去腺苷酸化酶复合体，该复合体被认为是启动m⁶A mRNA降解的关键。最新研究还提出mRNA可能在YTHDF1与YTHDF2之间传递——前者促进mRNA翻译而后者促进mRNA降解。但如何协调这些活性以防止mRNA在翻译前被提前降解，仍需进一步的研究。

近日，来自斯坦福大学的Lars M. Steinmetz和瑞士伯尔尼大学的Sebastian A. Leidel团队合作在Cell杂志上发表文章tRNA modifications tune m6A-dependent mRNA decay，发现m⁶A修饰在翻译过程中可被tRNA识别。经m6A修饰的密码子会被核糖体低效解码，使其成为"非最优密码子"，并导致转录本上的核糖体碰撞现象，从而将mRNA翻译过程与降解途径偶联。而tRNA反密码环中的5-甲氧羰基甲基-2-硫尿苷（mcm5s2U）修饰能够抵消这种效应。这种mRNA与tRNA表观转录组之间的关联机制是首次被发现的。在癌症中，m6A与mcm5s2U生物合成通路的失调（表现为mcm5s2U修饰增加）与肿瘤侵袭性增强及不良预后相关。

m6A位点的存在可加速多种mRNA的降解速率，但m6A位点在mRNA上的位置是否均等地影响这一过程尚不明确。为了探究位置效应如何调控m6A介导的降解，研究人员采用miCLIP技术在HEK293T中绘制了m6A的单核苷酸分辨率全转录组图谱，准确定位每个m6A位点所属的mRNA功能区。结果显示，3'UTR区独含m6A的mRNA不仅未加速降解，其稳定性反而较无m6A的mRNA略有提升。与此形成鲜明对比的是，CDS区含有m6A的mRNA表现出显著更高的降解速率。这一结论在小鼠胚胎干细胞中得到验证。对m6A在mRNA上的分布进行量化分析，发现m6A在高度不稳定mRNA的CDS区显著富集，而稳定mRNA的CDS区则基本不含m6A。m6A在终止密码子周围的特征性富集主要存在于总m6A水平低但高表达的稳定mRNA中，即主要来源于这些CDS区缺乏m6A的稳定mRNA。鉴于CDS区m6A可加速mRNA降解，那么是否这一过程与核糖体翻译有关？研究人员使用翻译抑制剂处理细胞，发现显著稳定了CDS区含m6A的报告mRNA以及内源性mRNA，证实其降解具有翻译依赖性。整合分析翻译抑制剂处理的HEK293T细胞的mRNA降解数据与m⁶A修饰组数据，发现mRNA的m⁶A修饰水平与其经翻译抑制剂处理后的稳定化程度呈显著正相关。在全转录组范围内，10,564个基因中有4,120个（39%）表现出超过20%的稳定化。mRNA的平均m⁶A水平与其翻译依赖性降解程度存在显著相关性。这些结果共同表明，转录组中大部分mRNA的m⁶A依赖性降解是由含m⁶A的CDS区翻译过程介导的。

通过报告基因检测与全转录组分析相结合，研究人员发现该效应依赖于延伸中的核糖体对含m6A密码子的翻译，并以密码子特异性方式发生。核糖体图谱分析显示，当特定密码子被m6A修饰时，其解码效率显著降低，表明m6A通过降低密码子最优性来标记mRNA使其更易被降解。而tRNA反密码子修饰——mcm⁵s²U可通过缓解m6A导致的密码子最优性下降，调控这一隐藏的遗传密码层。当mcm⁵s²U缺失时，m6A修饰密码子处的翻译暂停现象更为显著，且m6A修饰mRNA的降解加速。值得注意的是，m6A修饰会引发核糖体碰撞现象，这提示了一种不依赖于特定阅读蛋白的m6A介导降解机制。

为了探究m⁶A与mcm⁵s²U的相互作用是否影响内源mRNA的降解，研究人员在mcm⁵s²U缺陷细胞中抑制m⁶A修饰，其显著上调CDS区m⁶A水平较高的mRNA，这一效应在野生型细胞中显著减弱。即mcm⁵s²U缺陷会增强m⁶A介导的mRNA降解。进一步分析受影响mRNA的功能特征，结合对肿瘤特征基因集的分析，发现两类重要功能基因在m⁶A依赖性降解上存在显著差异：（1）具有管家功能的代谢通路基因，其mRNA通常稳定且m⁶A修饰水平低；（2）信号通路组分编码基因，其mRNA呈现高m⁶A修饰水平和快速降解特征。这些高修饰、不稳定的信号通路mRNA在翻译抑制剂处理的细胞中表现出优先稳定化现象，这表明m⁶A通过偶联mRNA翻译与快速降解来调控关键信号通路的表达。在mcm⁵s²U缺陷细胞中，这些信号通路的mRNA稳定性进一步降低。因此，mcm⁵s²U通过拮抗m⁶A效应来稳定重要信号通路mRNA，为这些精密调控的通路提供了持续表达的"许可"机制。研究人员进一步探究mcm⁵s²U/m⁶A调控系统在人类癌症中的作用。在正常人体组织中，mcm⁵s²U生物合成因子相对于m⁶A生物合成因子的表达水平与组织干性程度呈正相关。TCGA泛癌分析显示肿瘤样本中同样存在向mcm⁵s²U修饰倾斜的趋势。这些发现表明，干性增强和肿瘤发生与mcm⁵s²U/m⁶A许可系统的失衡密切相关。在一个乳腺癌患者队列中发现，mcm⁵s²U/m⁶A许可系统的失衡与乳腺癌患者不良预后显著相关。基于mcm⁵s²U/m⁶A许可系统构建了一个全表观转录组基因表达特征谱。该特征谱能对乳腺癌、肺癌、结直肠癌和血液系统肿瘤等不同癌种的患者进行分层，且mcm⁵s²U修饰优势同样主要与不良预后相关。这表明，mcm⁵s²U/m⁶A许可系统在多种人类癌症中发挥重要作用，并可能作为一种泛癌生物标志物。

总的来说，研究发现了tRNA修饰与m⁶A通过功能互作共同调控mRNA降解，并揭示了全表观转录组相互作用的新型基因转录后调控机制，对人类健康研究具有重要意义。

值得关注的是，来自康奈尔大学的Samie R. Jaffrey团队在Cell杂志上发表文章m6A alters ribosome dynamics to initiate mRNA degradation，揭示出m6A修饰会显著改变核糖体动力学，这些改变介导了m6A对mRNA的降解效应。m6A是强有力的核糖体停滞诱导因子，此类停滞导致核糖体碰撞，形成不同于其他情境的特殊构象。核糖体停滞程度与m6A介导的mRNA降解效率正相关，碰撞核糖体的持续存在会增强m6A依赖性降解。m6A位点的核糖体停滞与碰撞会招募YTHDF m6A阅读器蛋白促进mRNA降解。减少核糖体停滞与碰撞（如应激状态下的翻译抑制）能稳定m6A-mRNAs并提高其丰度，从而激活应激反应。这项研究首次揭示核糖体作为m6A的初始传感器，通过感知m6A修饰启动mRNA降解程序。

研究人员首先观察到m6A-mRNA的降解需要翻译过程，加入翻译抑制剂显著增加高甲基化基因的表达水平，这就解释了之前观察到的“翻译依赖性mRNA降解”现象。进一步研究显示，m6A促进核糖体停滞，这种停滞非常显著，以至于可能导致核糖体碰撞。m6A诱导的核糖体停滞受密码子序列上下文的影响，并且m6A诱导停滞的能力与其诱导mRNA降解的能力相关。在m6A位点的停滞和随后的碰撞可能促进YTHDF的结合和mRNA降解机器的募集。这一通路在细胞应激期间尤为重要，此时翻译受到抑制，因此停滞和碰撞减少，导致m6A-mRNA的稳定化。由此增加的m6A-mRNA有助于应激的适应性反应。

m6A改变核糖体动力学，从而起始mRNA降解，这一机制也需要更多的研究来完善其中的细节。例如，是停滞的核糖体还是随后碰撞的核糖体导致m6A-mRNA降解，因为停滞和碰撞是相关联的。此外，YTHDF被募集到m6A位点的时间也难以确定。一种模型认为，碰撞将YTHDF蛋白募集到碰撞界面；另一种可能是，碰撞的核糖体直接稳定了YTHDF与A位点m6A的结合。m6A位点碰撞核糖体的独特足迹可能是一个关键线索。然而，尚不清楚这种足迹是发生在YTHDF结合之前，还是YTHDF结合之后的结果。虽然YTHDF蛋白能与碰撞界面的核糖体蛋白和rRNA结合，但难以确定这些相互作用是否发生在生理性m6A诱导的双核糖体形成过程中。使用在m6A位点碰撞的核糖体进行冷冻电镜研究，将为YTHDF蛋白与m6A及碰撞核糖体之间的精确相互作用提供更深入的见解。

总的来说，研究揭示了核糖体是最初的m6A传感器，核糖体在m6A处的停滞导致碰撞和YTHDF的募集。研究为理解m6A介导mRNA降解提供了新的视角。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00415-5；

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00455-6

制版人： 十一

参考文献

1.Uzonyi, A., Slobodin, B., and Schwartz, S. (2022). Exon-intron architecture determines mRNA stability by dictating m6A deposition. Preprint at bio- Rxiv.

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