Nature Plants | 申莉莎团队系统论述mRNA上非m6A修饰在植物中的研究进展

在已知的170多种不同的RNA修饰中，N6-甲基腺苷（m6A）是最普遍的mRNA内部修饰，也是研究最为深入的修饰。然而，越来越多的证据表明mRNA上存在的其他修饰——包括5-甲基胞嘧啶（m5C）、N4-乙酰胞嘧啶（ac4C）、假尿嘧啶（Ψ）、N1-甲基腺苷（m1A）、N7-甲基鸟苷（m7G）和2′-O-甲基化（2′O-Nm），在决定mRNA命运方面也发挥着关键的作用。

近日，新加坡淡马锡生命科学院申莉莎课题组在Nature Plants在线发表题为Emerging roles of non-m6A mRNA modifications in plants的综述论文，本综述重点介绍了m5C、ac4C和Ψ等非m6A修饰在植物mRNA中的新兴作用，概述了它们对mRNA代谢、植株发育和应激适应的影响，并系统总结了检测方法的研究进展及探讨该领域未来可能的研究方向。

首先，本文系统梳理了在转录组水平上绘制非m6A mRNA修饰图谱的主要研究方法。这些方法大体可分为两类：基于抗体富集的策略和基于化学转化或保护的策略。前者通过特异性抗体富集修饰RNA，并结合新一代测序技术，实现约100–200 nt分辨率的检测，进一步结合交联或逆转录标记技术，可将分辨率提升至单核苷酸水平。后者则是利用修饰核苷酸的化学特性来实现单碱基精度定位，并在某些情况下可估算该修饰的化学计量比。与此同时，纳米孔直接RNA测序（DRS）作为一种新兴技术，无需依赖抗体富集或化学处理，即可实现对RNA修饰的直接检测，尤其在m6A修饰检测中展现出良好的应用，亦有部分研究报道DRS应用于非m6A修饰的检测中。然而，由于植物mRNA中非m6A修饰丰度普遍较低，实际研究中往往需要结合多种测序策略，因此，持续开发更高精度和灵敏度的检测技术仍是该领域的重要研究方向。

图1 已知的植物mRNA内部修饰

进一步，文章从分布特征（图1），“写入-擦除-识别”机制（图1）和生物学功能（图2）三个方面重点阐述了m5C，ac4C和Ψ修饰在植物中的发现。

m5C修饰广泛存在于拟南芥、苜蓿、水稻、玉米、谷子中，其总体水平在0.02%–0.08%，且m5C修饰似乎在不同组织中以及在应激反应中受到动态调控。研究表明， m5C富集于可移动mRNA并促进其跨组织运输，这一过程依赖TRM4B/DNMT2等甲基转移酶及RNA结合蛋白（如ALY2和ALY4）。m5C可通过提高mRNA稳定性和调控翻译影响植物生长发育与环境适应性。在拟南芥中，TRM4B介导的m5C修饰通过稳定靶基因，促进根生长。在水稻中，热胁迫下OsNSUN2介导的m5C修饰促进参与光合作用和解毒系统的靶标的mRNA 翻译，进而增强水稻对热胁迫的适应能力（图2a）。

最近才在植物mRNA中被发现的ac4C修饰是目前已知的mRNA上唯一的乙酰化修饰，它在mRNA剪接、稳定性和翻译效率中发挥关键的调控作用，进而影响植株发育和应激适应性。在拟南芥中，NAT10s介导的mRNA ac4C修饰特异性调控FLOWERING LOCUS M (FLM)的可变剪接直接控制低温环境下植物的开花时间。同时，ac4C修饰还通过增强TOUGH (TGH)转录本稳定性促进microRNA生成，从而调控叶片生长。ac4C修饰转录本在拟南芥和水稻中均表现出更高的翻译活性，表明其促进mRNA翻译效率。在水稻中，病原菌侵染时，OsNAT10通过提高茉莉酸（JA）生物合成酶OsACO以及JA生物合成通路上游的OsERF77转录本上的ac4C修饰水平，增强其翻译，进而促进JA生物合成提高抗病性。此外，ac4C可同时调控同一转录本的稳定性和翻译效率，如OsNAT10介导的修饰通过增强OsLIR1和OsLFNR的稳定性与翻译水平，提高水稻光合作用（图2c）。值得注意的是，ac4C修饰在多种植物物种（如拟南芥、水稻、大豆、番茄、草莓和菊花）的光合作用相关转录本中普遍存在，并在光捕获系统和叶绿体发育相关转录本中显著富集，提示其在光合作用中的调控作用具有进化保守性。

图2 植物中以胞嘧啶为靶点的mRNA修饰的机制与功能

Ψ由尿苷异构化形成，通过改变糖苷键连接方式增强RNA结构稳定性，其在mRNA中的丰度高于m5C和ac4C。Ψ的形成主要依赖PUS家族酶。在植物中，虽已鉴定出较多PUS基因且部分突变体影响发育和抗逆性，mRNA Ψ修饰的分布和功能尚处于起步阶段。BID-seq揭示了多种植物中mRNA Ψ修饰的转录组分布，其在CDS区域富集但位点保守性较低，且具有物种特异性序列偏好，如CΨC或GΨG（图1a）。生物学功能上，Ψ与mRNA稳定性负相关、与翻译效率正相关（尤其在5′UTR），表明其在植物转录后调控中具有重要作用。未来，通过整合高分辨率图谱技术并结合转录组学与蛋白质组学分析，深入解析单个PUS酶及其依赖的Ψ修饰在植物mRNA代谢、发育及环境适应中的功能与调控机制，将具有重要意义。

除已广泛研究的m5C、ac4C和Ψ修饰外，植物mRNA中还检测到m1A、m7G及2′O-Nm等修饰。已有证据表明m1A在CDS区域富集，并可能由TRMT61-TRMT61A作为“writer”蛋白复合体催化参与发育调控。水稻中的研究表明mRNA内部m7G修饰在5′UTR区域显著富集，且在病原胁迫下发生动态变化，提示其可能参与生物胁迫响应。此外，尽管哺乳动物研究表明2′O-Nm修饰可增强RNA稳定性并调控RNA–蛋白相互作用，但其在植物中的研究尚处于起步阶段，近期仅在水稻中发现其富集于起始密码子后及3′UTR区域（图1）。总体而言，这些修饰在mRNA中的作用机制及其相关调控因子仍有待系统解析。

最后，文章对植物中非m6A RNA修饰未来的研究方向进行展望。受限于检测技术以及相关writers、readers和erasers蛋白鉴定不足，植物中非m6A RNA修饰在分布、动态变化及调控机制方面的认知仍较为有限。未来需结合单碱基分辨率测序和纳米孔DRS等新技术，系统解析这些修饰在mRNA代谢及环境适应性中的作用机制，并进一步探索其在提升作物产量与抗逆性中的应用潜力。

申莉莎研究员为该论文的通讯作者，课题组博士后滕珍锋为第一作者。该研究得到了新加坡国立研究基金会和淡马锡生命科学研究院的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02284-x