背景

随着1925年DNA中5-甲基胞嘧啶的发现，DNA、RNA和组蛋白的二级化学修饰的存在已经被人们认识了近一个世纪。表观基因组的修饰种类已经增加到30种DNA修饰和20种组蛋白修饰，而转录组包括在所有形式的RNA上发现的超过170种修饰，tRNA上的多样性最大。虽然表观基因组和表转录组的化学结构发现阶段仍在继续，但随着系统生物学的趋同计算和分析工具的出现，对这些修饰的功能的理解在过去二十年间才开始出现。

简介

2023年11月22日，来自新加坡麻省理工学院研究和技术中心联盟的Michelle M. Mitchener及其团队在Acc Chem Res (IF: 18.3)杂志上发表名为Molecular Coping Mechanisms: Reprogramming tRNAs To Regulate Codon-Biased Translation of Stress Response Proteins的研究[1]。

主要结果

在过去15年中，我们的实验室一直专注于确定转移RNA (tRNAs)表转录组的功能，tRNAs是将信使RNA (mRNA)的遗传密码与不断增长的肽链中的氨基酸连接起来的75 ~ 90个核苷酸长接头分子 (图1a，b)。tRNA的修饰是由高度特异的酶在转录后的保守位置进行的，一些修饰也被酶移除，尽管这是一个比较新兴的研究领域。修饰修饰着来自生命的所有三个领域的tRNA，真核生物具有最多和最多样的化学成分，包括甲基化、羟基化、乙酰化、脱氨基、转糖基化和其他 (图1c)。这些化学物质在结构、蛋白质识别和翻译保真度方面极大地扩展了tRNAs的信息内容和功能，既往的文章中有过专门综述通过使tRNA分子的表面积增加20%并改变局部的物理化学性质，经过修饰的核糖核苷酸影响蛋白质和核酸对tRNA的识别反密码子茎环 (ASL)外的修饰通过限制非功能性替代折叠和促进协同Mg2+结合和热稳定来帮助维持tRNA结构。RNA修饰也会影响tRNA的充电效率，并改变氨基酰化动力学。

酵母中的tRNA重编程和密码子偏倚翻译

在酵母中进行的其他多种研究进一步阐明了tRNA修饰与编码细胞存活所需蛋白的mRNA转录本的密码子偏倚翻译之间的相关性 (图3)。在他们在trm9Δ酵母中进行的最初研究中，Begley等人注意到mott在多体部分中更丰富，这表明trm9Δ细胞中这些转录本的翻译存在缺陷。事实上，定量蛋白质组学结合对失调蛋白质的密码子分析表明，Trm9缺失损害了富含Tmr9依赖的AGA和GAA密码子的基因的蛋白质表达。重要的是，本研究表明蛋白质水平的变化与mRNA表达的变化之间缺乏相关性，提示基因表达的调节是在转录后发生的。Patil等人进一步表明，Trm9的缺失导致翻译失真，表现为氨基酸错掺增加和Trm9依赖性密码子的1移码。Trm9Δ细胞中与热休克和非翻译蛋白反应相关的基因转录本上调，表明翻译错误增加导致了未折叠或受损的蛋白。类似地，缺乏t6A和mcm5/s2U34修饰的酿酒酵母 (图1)被标记为蛋白质聚集，并显示+1移码表型，包括形状缺陷、错误分离的细胞核以及对温度和营养剥夺的敏感性。在迄今可能是最全面的tRNA修饰酶敲除筛选中，Tavares等人分析了70株酵母菌株，每株都缺乏用于评估蛋白质聚集的单一tRNA修饰基因。除了在缺乏特异性修饰酶的突变体中聚集灶的大小增加外，这些聚集物在基因过度使用修饰依赖密码子的蛋白质中显著富集。综上所述，这些数据支持以下模型：tRNA修饰缺失导致密码子特异性翻译暂停，进而增加翻译错误，促进共翻译蛋白错误折叠。

结论及展望

应激引起的tRNA修饰的变化现已在生命的所有领域中被发现。虽然应激源和受影响的生物差异很大，但这些修饰诱导其效应的机制似乎是共同的——tRNA修饰的应激特异性重编程促进具有修饰依赖性密码子的应激应答mRNA的翻译。这一机制的发现需要开发多种组学技术，包括质谱、二代测序、基因组学和信息学。这些工具被用来测量50个RNA修饰，数百个小RNA，蛋白质组的变化和密码子的使用模式。鉴于密码子偏向的翻译调控在许多癌症亚型中经常被用来促进癌症增殖和化疗耐药性，不仅参与tRNA重编程和密码子偏向的翻译调控的酶是开发个性化治疗的潜在靶点，而且这些途径也可以作为疾病状态和治疗反应的生物标志物 (图5)。tRNA重编程和密码子偏倚翻译在优化蛋白质水平方面也有直接的应用。例如，用于生产治疗性和工业蛋白的培养细胞面临许多压力，包括营养和氧缺乏，这些压力由tRNA修饰和密码子偏倚控制。这种机制可以被用来改进生物制造过程。同样，mRNA疗法理想地针对特定的组织或细胞，每个组织或细胞都经历不同的生理应激源。因此，通过了解细胞类型特异性tRNA重编程和密码子偏倚翻译，优化密码子的使用有可能提高基于mRNA的药物的疗效。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.3c00572

参考文献

1.Mitchener Michelle M,Begley Thomas J,Dedon Peter C,Molecular Coping Mechanisms: Reprogramming tRNAs To Regulate Codon-Biased Translation of Stress Response Proteins.[J] .Acc Chem Res, 2023, undefined: undefined.

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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