NC | N1-甲基假尿苷和假尿苷修饰调控翻译过程中的mRNA解码

导读

化学修饰的核苷存在于所有生物体中，在剪接和翻译等细胞关键过程中起重要作用。rRNA和tRNA的修饰酶缺陷与多种人类疾病相关，说明RNA修饰对蛋白质合成起着很重要的作用。

目前已知的RNA修饰超过150种，最初被认为主要存在于非编码RNA（ncRNAs），但近年来的研究发现，蛋白质编码的mRNA也存在大量修饰，这提示mRNA修饰可能在基因表达调控中发挥未被充分认识的作用。

大多数mRNA修饰酶同时作用于ncRNAs，mRNA的修饰通常以混合状态存在，这使得研究其对翻译的影响变得较为困难。使用重构翻译系统的研究表明，mRNA修饰会减慢核糖体速度，并在特定序列环境下影响tRNA选择和密码子解码。

这些修饰在RNA疗法和mRNA疫苗中也被广泛应用，例如COVID-19 mRNA疫苗使用N1-甲基假尿苷（m1Ψ）替代尿苷，以提高mRNA的稳定性并增加蛋白质产量。然而，m1Ψ可能通过减缓翻译速率或改变氨基酸添加的准确性，影响蛋白质的合成和功能。

2024年9月16日，美国密歇根大学化学系Kristin S. Koutmou团队在Nature Communications上发表了一篇题为“N1-Methylpseudouridine and pseudouridine modifications modulate mRNA decoding during translation”的论文，研究发现m1Ψ虽然不会显著影响翻译速度，但在特定序列下会影响翻译的准确性。假尿苷和m1Ψ通过改变mRNA与tRNA的相互作用，调节核糖体的解码过程，这可能对天然和治疗性mRNA的蛋白质合成产生影响。

文章索引

【IF】16.6

研究结果

一. m1Ψ在某些序列环境下对苯丙氨酸（Phe）添加的速率有一定影响

作者使用重构的大肠杆菌体外翻译系统评估了mRNA密码子中引入m1Ψ对翻译的影响。

结果显示，m1Ψ修饰对苯丙氨酸（Phe）的添加速率几乎没有影响，仅仅当m1Ψ位于密码子第三位时，Phe添加速率略微增加。

进一步研究发现，m1Ψ对翻译终止也无显著影响，除非终止因子浓度极低或密码子序列环境不佳。这表明m1Ψ不会显著阻碍翻译过程，支持其在mRNA疫苗中的应用。

二. m1Ψ会以序列依赖性的方式影响核糖体对氨酰-tRNA的选择

研究发现，不同位置的m1Ψ修饰对氨基酸添加有不同影响：第一位的m1Ψ提高了Ile的加入速率，第二位则显著降低了Ile和Leu的速率，同时增加了Ser的误插入率。

总体而言，m1Ψ可以根据上下游序列增强或减弱密码子与tRNA的反应。

三. 尿苷的异构化是导致m1Ψ修饰密码子上氨基酸替代变化的一个重要因素

为了确定C5-糖苷尿苷异构化和N1-甲基化如何影响m1Ψ调节氨基酸掺入的能力，作者测量了假尿苷（Ψ）修饰的Phe密码子上Leu、Ile和Ser错误掺入的速率常数。

结果显示，Ψ对Ile和Leu的影响与m1Ψ相似，特别是当Ψ位于第二个密码子位置时，Ile的掺入速率显著降低，Leu的添加速度在任何位置都较慢。与此相反，Ψ修饰的密码子促进了Ser的掺入。

研究表明，尿苷的异构化在m1Ψ修饰的mRNA密码子上起主要作用，同时N1甲基化可以抑制部分异构化效应。

四. 在HEK293细胞中，某些含有m1Ψ的密码子上氨基酸替代频率增加

在HEK293细胞中，含有m1Ψ的mRNA表现出更高的氨基酸替代率，尤其在Phe（UUU和UUC）密码子上，这表明m1Ψ修饰会增加特定密码子的氨基酸错误率，但整体替代率仍然较低，且受密码子和序列的影响。

五. m1Ψ和Ψ对双链熔解温度的影响也具有上下游序列依赖性

Ψ和m1Ψ对RNA双链的熔解温度（Tm）的影响依赖于附近序列。Ψ通常提高Tm值，但其效果因周围序列不同而变化，而m1Ψ的影响更为复杂，有时与Ψ不同。例如，在某些序列中Ψ提供稳定性，而m1Ψ则不会。

六. Ψ衍生修饰改变了核糖体A位点mRNA:tRNA核苷酸相互作用的能量学特性

Ψ和m1Ψ修饰对mRNA:tRNA相互作用的影响取决于其附近序列。分子建模和计算表明，Ψ和m1Ψ在不同密码子位置的效应不同。

Ψ通常增加配对稳定性，而m1Ψ的影响则取决于其在密码子中的具体位置，其中3-甲基假尿苷（m3Ψ）显著扰乱mRNA:tRNA配对。

实验数据与计算结果一致，表明Ψ和m1Ψ通过改变tRNA选择的方式影响翻译过程。

总结

核糖体通过mRNA密码子与氨酰-tRNA的氢键作用，确保蛋白质快速准确地合成。本文研究发现，m1Ψ不会显著影响氨基酸添加和翻译终止的速度，但会根据密码子位置和tRNA类型，细微改变氨基酸的掺入准确性。这种效应与mRNA:tRNA相互作用的能量变化有关，取决于修饰碱基的序列环境。

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