Cell | 磷酸骨架表观转录组学：天然RNA硫代磷酸修饰及其写入酶系统的发现

撰文 |水王星

在RNA生物学中，转录后修饰被称为 表观转录组（epitranscriptome） 。已知天然RNA修饰超过150种，但它们几乎全部发生在核糖或碱基上。磷酸骨架长期被视为只负责连接核苷酸的惰性支架，从未发现天然修饰。与此同时，硫代磷酸酯（phosphorothioate,PS）修饰在治疗性寡核苷酸中广泛应用，它用硫原子取代磷酸上非桥接氧，可提高核酸酶抗性和生物利用度。细菌和古菌DNA中早已发现PS修饰，但天然RNA中是否存在PS一直缺乏可靠证据。此前有质谱研究提示细菌和真核RNA可能存在PS，后续却被证明信号误判为核糖甲基化。因此， 领域内亟需正交验证、单核苷酸分辨率的方法，来回答天然RNA磷酸骨架是否真的存在修饰，以及谁负责写入、有何功能。

近日，来自 魏茨曼科学研究所Schraga Schwartz、科罗拉多州立大学Thomas J. Santangelo、东京都立大学Masato Taoka团队 在Cell期刊发表了题为Phosphate backbone epitranscriptomics: Discovery of natural RNA phosphorothioates and their writer machinery的研究论文。 该研究开发了两种正交的PS检测方法，在多种古菌中发现了天然存在的RNA PS修饰，并鉴定出负责其写入的Esti酶家族。这些修饰位于rRNA和tRNA的保守热点，受硫可用性和温度动态调控，并参与tRNA稳定性和高温生长。

为了在单核苷酸分辨率下精准定位RNA上的硫代磷酸修饰位点，研究团队开发了两种正交的检测方法 。第一种是基于碘特异性切割硫代磷酸键原理的Io-seq测序技术，通过对比碘处理组与对照组的RNA断裂位点，可定量检测修饰位点；另一种是多重化版本的mlo Io-seq，可同时处理最多32个样本，提升检测通量与定量准确性。同时，研究团队还采用液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）技术，从化学层面直接验证修饰的存在与立体构型。

利用上述方法，研究团队在嗜热古菌Thermococcus kodakarensis中首次发现了天然RNA硫代磷酸修饰。 这些修饰集中出现在16S rRNA的两个保守位点，以及多种tRNA的D茎10-11位，均为Rp构型的立体特异性修饰 。进一步实验发现，这些修饰的水平受环境调控，培养基中的硫元素含量会显著影响修饰水平，同时部分位点的修饰程度随生长温度升高而上升。

在此基础上，研究团队鉴定出了负责写入RNA硫代磷酸修饰的酶家族，并将其命名为Esti（enzyme for sulfur transfer to internucleotide linkages，核苷酸间硫转移酶）。该家族可分为两个亚类：Esti-A包含PUA结构域，Esti-B包含THUMP样结构域，二者均拥有保守的PAPS还原酶结构域与全新的PAD结构域。基因敲除实验显示，Esti-A家族的TK1315负责tRNA上的硫代磷酸修饰，敲除该基因后tRNA的修饰完全消失；而Esti-B家族的TK2167负责rRNA的修饰，该基因对细胞存活至关重要，无法成功敲除。

跨物种进化分析显示，Esti酶家族仅存在于厌氧古菌中，其中Esti-B的分布与物种的最适生长温度高度相关，提示其在高温适应中的作用。功能实验证实，缺失tRNA硫代磷酸修饰的突变株在95℃高温下生长显著变慢；体外熔解实验证明， 硫代磷酸修饰可直接提升tRNA的热稳定性，使解链温度升高1.3℃至2.9℃ 。结构分析进一步发现，rRNA上的硫代磷酸修饰位点均位于核糖体的功能核心区，包括肽基转移酶中心、tRNA结合的P位与E位，且暴露于核糖体表面，提示其可能调控核糖体功能。

这项研究首次将天然RNA修饰的范畴从碱基与核糖拓展到了磷酸骨架，改写了表观转录组的定义边界。新发现的Esti酶家族为位点特异性、立体特异性的RNA骨架编辑提供了天然的工具，有望应用于RNA生物技术与核酸药物研发。同时，这一发现也为理解极端环境微生物的生存适应机制、探索RNA修饰的进化起源提供了全新的视角。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.034

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

推荐直播

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！