如何修饰 RNA：发现添加化学标签转移RNA的关键步骤
宾夕法尼亚州立大学研究人员的一项新研究揭示了添加重要标记（甲基硫基团）以转移 RNA 所涉及的化学步骤，该过程如果在人类中受到干扰，可能导致神经元疾病、糖尿病和癌症。来源：宾州州立大学布克实验室
一项新的研究揭示了一个重要的细胞修饰过程中的化学步骤，该过程为一些 RNA 添加了化学标签。干扰人类的这一过程会导致神经元疾病、糖尿病和癌症。由宾夕法尼亚州立大学的化学家领导的一个研究小组对一种促进细菌中RNA修饰的蛋白质进行了成像，从而使研究人员能够重建这一过程。一篇描述修改过程的论文于 2021 年 9 月 15 日发表在《自然》杂志上。
转移 RNA (tRNA) 是“读取”遗传密码并将其翻译成氨基酸序列以制造蛋白质的 RNA。在某些 tRNA 上的特定位置添加化学标签（甲基硫基团）可以提高它们将信使 RNA 翻译成蛋白质的能力。当这种被称为甲基硫醇化的修饰过程不能正常发生时，错误可能会被纳入产生的蛋白质中，这在人类中会导致神经元疾病、癌症，并增加患 2 型糖尿病的风险。
“甲基硫醇化在细菌、植物和动物中无处不在，”领导该研究小组的宾夕法尼亚州立大学生物化学家、霍华德休斯医学研究所研究员 Squire Booker 说。“在这项研究中，我们确定了一种名为 MiaB 的蛋白质的结构，以更好地了解它在促进细菌这一重要修饰过程中的作用。”
来自细菌拟杆菌属制服的 MiaB 蛋白是自由基 SAM（S-腺苷甲硫氨酸）酶家族的成员。自由基 SAM 酶通常使用它们自己的铁硫簇之一将 SAM 分子转化为“自由基”，从而帮助推进反应。与大多数其他自由基 SAM 酶不同，MiaB 包含两个铁硫簇：一个自由基 SAM 簇和一个辅助簇，大部分复杂的化学反应都发生在这里。
在甲基硫醇化过程中的几个点对 MiaB 与 SAM 分子和 tRNA 的作用进行成像，使研究人员能够推断出修饰过程中的化学步骤。首先，SAM 分子将其甲基基团提供给 MiaB 上的辅助铁硫簇。
“附着在 tRNA 上的硫原子的来源一直存在争议，但我们的结构表明，SAM 中的甲基附着在 MiaB 的辅助铁硫簇上的硫原子上，”宾夕法尼亚大学化学助理研究教授 Olga Esakova 说论文的国家和第一作者。“这个甲基和它附着在 MiaB 上的硫最终会转移到 tRNA，但在 tRNA 可以接受甲硫基之前会发生一些额外的步骤。”
添加一个电子使第二个SAM分子分裂成自由基。自由基最终从 tRNA 中取出一个氢原子，该氢原子被 MiaB 上的甲硫基取代。
“最初，tRNA 上的氢并没有以一种既可以接触到去除它的自由基也可以接触到需要转移的甲硫基的方式定位，因为氢和附近连接的原子都排列在同一个位置上。飞机，”布克说。“我们的结构表明，MiaB 辅助簇上的甲硫基会导致 tRNA 发生甲硫基化的那个点的几何形状发生变化，这会变成更多的四面体形状，氢处于最佳位置，可以被自由基和甲硫基处于后续转移的最佳位置。”
这些步骤的结果是添加了甲硫基的 tRNA 和成功的修饰。
接下来，研究人员希望确定在每次周转后如何重建辅助集群，以便该过程可以进行多轮。他们还在研究在人类修饰过程中发挥类似作用的类似蛋白质。
参考：Olga A. Esakova、Tyler L. Grove、Neela H. Yennawar、Arthur J. Arcinas、Bo Wang、Carsten Krebs、Steven C. Almo 和 Squire J.布克，2021 年 9 月 15 日，《自然》。
DOI: 10.1038/s41586-021-03904-6
Booker 是 Evan Pugh 大学化学、生物化学和分子生物学教授，也是宾夕法尼亚州立大学 Eberly 杰出科学家庭主席。除了 Booker 和 Esakova，宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学 X 射线晶体学和自动生物量热核心设施主任 Neela Yennawar；研究时的研究生 Arthur Arcinas；王博，化学助理研究员；以及化学、生物化学和分子生物学教授 Carsten Krebs。该团队还包括阿尔伯特爱因斯坦医学院的泰勒格罗夫和史蒂文阿尔莫。
这项研究得到了霍华德休斯医学研究所、美国国立卫生研究院、国家科学基金会、宾夕法尼亚州立埃伯利科学学院、普莱斯家庭基金会和宾夕法尼亚州立哈克生命科学研究所的支持。