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2024年11月14日下午，受北大-清华生命科学联合中心伊成器研究员邀请，芝加哥大学（The University of Chicaga）教授Tao Pan在生命科学学院邓祐才报告厅带来一场题为“mRNA and tRNA modifications in the regulation of gene expression”的精彩报告。

Tao Pan教授做报告与交流

RNA修饰在转录后调控中发挥关键作用，其功能与机制仍是RNA生物学研究的重要前沿。目前，已经有超过150种RNA转录后修饰被研究者们鉴定到，包括碱基和核糖骨架的甲基化、尿苷旋转和还原、碱基去氨基化、环状结构和糖基的添加等。Tao团队针对RNA修饰的检测与功能研究开发了一系列创新技术，取得了重要进展。首先，针对m6A修饰，他们揭示了其不仅通过reader蛋白发挥作用，还通过改变局部mRNA二级结构（“m6A开关”）调控RNA结合蛋白结合，从而影响mRNA丰度和剪接。其次，为了解假尿苷（Ψ）修饰的功能及其与其他修饰的关联，团队开发了基于纳米孔RNA测序的Ψ定量预测方法NanoPsu，以及同时预测m6A和Ψ修饰的NanoSPA方法，揭示了m6A和Ψ修饰在转录组中的对立共现及协同效应。最后，团队开发了小RNA多重测序平台MSR-seq，实现了对tRNA丰度、修饰、氨基酸充载及tRNA片段生成的全面表征，并揭示了tRNA在应激响应中的调控机制及其在翻译下调中的重要作用。这些研究为RNA修饰在调控过程中的复杂功能提供了新视角，同时为RNA修饰研究提供了强大的工具支持。

m6A与RNA二级结构

m6A修饰是mRNA上丰度最高的修饰，有专门的writer, eraser以及reader蛋白负责m6A修饰的添加、擦除以及读取。正是通过这些相关蛋白，m6A修饰参与到细胞分化、增殖及许多细胞功能和人类疾病的调控过程中。而Tao及其合作者发现，除了通过reader蛋白发挥功能外，m6A修饰还可以改变局部mRNA结构，从而调节mRNA结合蛋白的结合（这个机制被其称为 “m6A开关” ），导致mRNA丰度和可变剪接的变化。

m6A调节RNA二级结构

长度长测序与RNA修饰检测

假尿苷（Ψ） 修饰也是mRNA上丰度比较高的修饰之一，已有研究表明在合成的mRNA上添加Ψ修饰可以帮助降低免疫反应并促进翻译，不过其功能仍然需要进一步探索。更重要的是，同一个mRNA分子上不同位点以及不同种类的修饰如何关联仍不清楚。为了解决这一问题，Tao团队基于纳米孔RNA测序开发了Ψ定量预测方法NanoPsu，该方法结合了原生内容训练、机器学习模型和单读段连锁分析（single-read linkage analysis）。通过这一方法，团队验证了干扰素刺激基因转录本中的Ψ修饰的上调以及部分Ψ修饰位点之间的共调节。

NanoPsu模型图

此外，mRNA分子上不同修饰之间的关联也是非常重要的科学问题。Tao团队纳米孔RNA测序以及机器学期建立了NanoSPA方法，该方法能够同时预测m6A和Ψ修饰。通过将NanoSPA应用于多核糖体分析，Tao团队揭示了m6A和Ψ修饰在转录组中的对立共现现象，以及它们在多核糖体上的协同效应和层级效应。这些研究为深入理解m6A和Ψ修饰的协调作用提供了新的视角，并为研究RNA修饰在翻译调控中的复杂功能奠定了基础。

m6A和Ψ修饰的对立共现

MSR-seq与tRNA多种属性检测

tRNA是人总RNA中丰度非常高的一类RNA，主要负责蛋白合成。tRNA不仅拷贝数多，其上修饰也非常丰富，且在不同体系中具有明显的多样性。tRNA的主要特征可以概括为4个方面，主要包括丰度（Abundance）、修饰（Modification）、氨基酸充载（charging）以及tRNA衍生片段（tRF）。

tRNA的4种特性

Tao团队开发了一种新型的小RNA多重测序平台（MSR-seq），可以高效且同时表征小RNA，包括tRNA、tRNA片段、miRNA等在内的小RNA家族的以上特征。

MSR-seq的原理图示

MSR-seq通过设计生物素化的引物，实现了多个样本的条形码标记和逆转录反应的统一处理，大大提高了测序通量，并减少了样本输入量。此外，该平台还支持对RNA进行酶促或化学修饰处理，从而便于研究RNA修饰等多种应用。在生物学应用方面，研究团队使用MSR-seq研究了热休克、过氧化氢和砷酸盐等压力条件下，tRNA的丰度、氨基酸充载和修饰的变化。通过对总RNA和多核糖体中tRNA的分析，研究发现tRNA响应与翻译延长过程中翻译下调的机制相关。进一步的分析揭示，在压力条件下，缺乏多种修饰的原生tRNA分子成为tRNA片段生成的偏好性来源。

这项研究展示了MSR-seq平台在研究小RNA家族及其修饰方面的强大能力，并揭示了tRNA及其修饰在细胞应激响应中的复杂作用，特别是它们在翻译调控中的重要角色。