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Nat Immunol | 李华兵/伊成器/吴玉章等报道tRNA-m1A修饰调控CD4+ T细胞功能的新机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2022-09-24 09:27

正文

2022年9月22日，上海交通大学医学院/上海市免疫学研究所李华兵研究员团队、北京大学生命科学学院伊成器教授、吴玉章团队和Richard等合作在Nature Immunology上发表了题为 tRNA-m¹A modification promotes T cell expansion via efficient MYC protein synthesis 的研究论文，该研究揭示了m¹A修饰催化酶tRNA methyltransferase 61A（TRMT61A）通过催化新合成tRNA第58位腺嘌呤的甲基化（m¹A），加速CD4⁺T细胞激活后多种关键蛋白的翻译，保证CD4⁺T细胞的迅速免疫应答。该研究首次详细地阐明了CD4⁺T细胞功能改变过程中tRNA化学修饰控制细胞内翻译的分子机制。

CD4⁺ T细胞作为机体适应性免疫系统的重要组成部分，其在接受抗原刺激时，会快速激活以脱离静息状态，随后进入大量克隆扩增和分化阶段，以满足机体免疫防御的需求。为了实现迅速且充分的免疫应答效应，T细胞通常会通过提高转录水平以合成更多mRNA来实现对关键功能蛋白“质”和“量”的调控。然而，短时间内转录水平增加介导的蛋白合成能力远远满足不了CD4⁺T细胞激活早期对大量蛋白质合成的实际需求，因此，李华兵研究员及合作团队推测CD4⁺T细胞可能会采取通过提高现有mRNA池的翻译效率这一策略以快速应对T细胞早期功能的改变。

为了明确CD4⁺T细胞激活早期细胞内各种基因调控进程的活跃度，研究人员首先对初始 CD4⁺ T细胞进行不同时间点的TCR激活处理，并进行转录组学分析，结果发现CD4⁺T细胞激活后的18小时内，蛋白质翻译通路是上调最活跃的遗传信息处理进程，其中参与tRNA加工和化学修饰的转录本上调最为显著。为了进一步确定这一现象，课题组又进行了tRNA测序，并发现在CD4⁺T细胞激活早期确实大部分tRNA表达显著增加，因此证明了CD4⁺T细胞激活早期的重要任务：通过提高tRNA的含量以实现翻译效率的大幅提升。

机体细胞除了采用改变tRNA表达量来调控翻译外，也会通过影响tRNA上的多种化学修饰来改变翻译进程。大量研究表明，tRNA上的化学修饰是维持tRNA结构稳定和高效解码效率的重要因素，其中，位于第58位腺嘌呤上的甲基化修饰（tRNA-m¹A58）在多种生物中保守存在，并且该修饰对维持tRNA的解码效率至关重要。课题组通过转录组学、实时定量PCR以及免疫印记实验证明tRNA-m¹A58催化酶TRMT6/61A在CD4⁺T细胞激活后迅速增加以保证新合成tRNA中m¹A58的添加，从而保证tRNA的高效翻译能力。

为了探究tRNA-m¹A58在CD4⁺T细胞激活过程中调控翻译效率的重要性，研究团队首先构建了在T细胞中特异性敲除Trmt61a的基因缺陷小鼠，并发现Trmt61a条件性敲除小鼠随着年龄的增加表现出自发肠炎表型，伴随着肠系膜淋巴结肿大。通过分析小鼠免疫细胞组成，发现外周免疫器官中CD4^＋ T和CD8^＋ T细胞的比例和数量也发生改变，其中脾脏T细胞数量减少，淋巴结中T 细胞数量增加，但效应记忆性CD4^＋ T细胞组成比例均降低，表明TRMT61A缺失导致外周T细胞稳态被扰乱，但T细胞在胸腺中的发育仍然正常。随后利用体外原代T细胞培养技术，研究人员进一步明确TRMT61A缺失会导致CD4⁺T细胞激活后无法顺利地从G0／G1期进入S期，引起增殖能力显著降低。同时，通过一系列体内、体外实验发现Trmt61a缺失导致CD4⁺T细胞中大部分tRNA的m¹A58修饰显著减少，在翻译延伸中的解码能力显著下降，最终导致CD4⁺T细胞激活后多种关键蛋白的翻译受阻，特别是CD4⁺T细胞激活早期需要快速增加表达的转录因子MYC。MYC蛋白的降低导致CD4⁺T细胞激活后代谢重编程和细胞周期发生紊乱，最终使CD4⁺T细胞激活后的快速克隆扩增受阻。

接下来，研究团队通过翻译组学（RiboTag-seq）分析发现，Trmt61a缺失确实导致CD4⁺T细胞中一部分基因（包括Myc）的翻译效率显著降低，但大部分基因的翻译效率并未改变，有些基因的翻译效率反而升高。随之而来一个问题：tRNA-m¹A58修饰减少为什么仅降低部分基因的翻译效率？为了解决这一困惑，研究人员首先利用tRNA甲基化测序技术检测了Trmt61a缺失的CD4⁺T细胞中tRNA-m¹A58修饰的变化情况，结果发现大部分tRNA上的m¹A58修饰丰度都显著减少，但不同tRNA减少幅度不同，提示不同tRNA对Trmt61a缺失的敏感性不同。随后团队成员利用多组学联合分析发现，对Trmt61a缺失高度敏感的tRNA正是CD4⁺T细胞激活早期需要快速增加的tRNA，而这些tRNA又是翻译效率下调基因偏好优先使用的一群tRNA，因此当Trmt61a缺失后，首当其冲受到影响的便是这些快速增加的tRNA以及偏好使用这些tRNA的重要功能基因的表达。

最后，课题组对Myc mRNA进行了密码子转换实验，将其中对Trmt61a缺失高敏感的tRNA解码的密码子同义替换为低敏感tRNA解码的密码子。替换密码子后，Myc mRNA在Trmt61a缺失的CD4⁺T细胞中翻译效率得以恢复。更重要的是，当把密码子替换后的Myc mRNA转入到Trmt61a缺失的CD4⁺T细胞中，CD4⁺T细胞的增殖能力也得到恢复。

tRNA的作用、tRNA的修饰和密码子使用的选择性等相关研究在T细胞领域极少涉及，该研究第一次将tRNA修饰与T细胞的功能变化连接起来，并系统性地探究了原代CD4⁺T细胞扩增过程中控制翻译的具体机制，表明tRNA的使用及其修饰可以对蛋白表达和细胞功能带来显著改变。区别于李华兵研究员团队以往发现的METTL3介导的m⁶A修饰是CD4⁺T细胞激活的“转录检查点”功能（Nature 2017），这项研究表明TRMT61A介导的tRNA-m¹A58修饰作为CD4⁺T细胞增殖调控的新型“翻译检查点”（下图），将为改善CD4⁺T细胞介导的炎症应答及增强肿瘤免疫治疗效果提供新的RNA表观遗传策略。

TRMT61A介导的tRNA-m¹A58修饰是CD4⁺T细胞激活增殖调控的“翻译检查点”

据悉，上海交通大学医学院刘永波、周静副研究员和硕士研究生施金彤，浙江大学医学院李笑雨研究员，北京大学生命科学学院博士研究生张晓婷为本论文的共同第一作者，上海交通大学医学院李华兵研究员、北京大学生命科学学院伊成器教授、陆军军医大学吴玉章教授及耶鲁大学医学院Richard A.Flavell教授为该文的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41590-022-01301-3

制版人：十一

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