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高分综述：细胞代谢中的RNA修饰

生信人 · 公众号 · 生物 · 2025-02-08 07:03

正文

细胞新陈代谢是一个复杂的网络，可满足细胞的生物能和生物合成需求。RNA修饰作为转录后水平表观遗传学的重要组成部分，能够影响各种生物过程和细胞表型。今天分享一篇2024年3月发表在Signal Transduction and Targeted Therapy (IF：39.3)的综述文章，这篇综述概括了目前研究最多的8种RNA修饰的分布特征、修饰机制和生物学功能，并且还全面描述了这些RNA修饰在不同健康和疾病背景下对代谢的调节作用。感兴趣的小伙伴一起来看看吧！

一．研究背景

自 20 世纪 50 年代首次记录 RNA 修饰以来，已发现 170 多种类型的 RNA 修饰，它们普遍存在于编码 RNA 和非编码 RNA 中。在大多数情况下，RNA修饰是可逆的，类似于DNA 甲基化。 这些修饰由“writers”、“erasers” 和 “readers” 进行催化、去除和识别 。这些转录后修饰会改变核糖和碱基的典型结构，从而决定 RNA 的命运，包括剪接、转运、降解、翻译等。通过调节基因表达和细胞表型，RNA修饰广泛参与了各种细胞过程。细胞新陈代谢是一个涉及众多生化反应的复杂网络。“代谢重编程”最初是在癌症研究中提出的，后来逐渐扩展到其他非肿瘤疾病和正常生理过程。代谢重编程过去被定义为“肿瘤细胞生物能的变化”，目前的观点倾向于将其视为所有细胞固有的适应能力，在肿瘤细胞中通过异常激活原有过程得到加强。在这些生化过程中，表观遗传修饰会根据具体情况调整细胞与环境之间的关系。

根据最近几项公共卫生研究的统计数据，代谢性疾病已成为人类社会日益沉重的负担。据国际糖尿病联合会统计，2021年全球将有 5.37 亿成年人患有糖尿病，糖尿病已成为全球第九大死因。另一方面，近期针对癌症代谢的临床试验结果的疗效并不理想。临床上常用的针对核苷酸代谢的代谢药物并不多，主要是核苷酸类似物。但非核苷酸代谢靶向药物的开发仍处于初级阶段。因此，为了更好地了解病理生理学和优化治疗策略，对代谢进行多组学综合分析势在必行。有不少出色的研究探讨了 RNA 修饰在特定病理情况下对代谢的调控作用，尤其是癌症。值得注意的是，免疫代谢是一个新兴领域，有望为癌症、自身免疫和代谢性疾病提供新的治疗策略。这一概念说明了免疫细胞在分化和激活过程中发生的代谢变化。研究证实，包括 T 细胞、巨噬细胞、NK 细胞和 DCs 在内的各种免疫细胞都会进行新陈代谢重塑，以在不同的环境中实现其特定功能。前者是内在程序，包括mTORC1 信号转导和代谢相关基因的表达。后者是指组织微环境和营养供应。

在这篇综述中，作者首先介绍了RNA修饰的历史和目前的认识，并重点介绍了它们在细胞代谢中的调控作用，从而构建生理和病理情况下的表观遗传-代谢景观。并分别讨论了不同免疫反应中 RNA 修饰对免疫代谢的影响。最后，强调了 RNA 修饰的临床意义，并为进一步的研究提供了展望。

二．主要结果

1.RNA修饰概述

uRNA修饰研究简史

除了传统的 A、U、C 和 G 外，人们认识到 RNA 中的修饰核苷已经有半个多世纪了。图 1 展示了RNA修饰研究的历史里程碑。伪尿嘧啶（Ψ）是 20 世纪 50 年代发现的第一种 RNA 修饰类型。1965 年，对第一条生物RNA的测序证实了 10 种修饰类型。随着技术的进步，人们发现了 170 多种 RNA 修饰，它们普遍存在于各种编码和非编码 RNA 中。然而，直到最近十年，人们才逐渐认识到 RNA 修饰的功能意义，其中最突出的是 N6-甲基腺苷（m6A）的广泛存在和生物功能。继信使 RNA（mRNA）的 5′帽和 3′聚（A）尾之后，以最常见的甲基化 m6A 为代表的 mRNA 内部修饰被发现。这些修饰在 mRNA 转录的各个环节都发挥着重要作用，包括前 mRNA 剪接、核输出、翻译和降解。转录 RNA（tRNA）修饰的数量最多，平均每个分子有 13 种修饰。它们的生物学作用可归纳为两个方面，即维持三级结构和促进密码子-反密码子识别。对于核糖体 RNA（rRNA）来说，RNA 修饰尤其不可或缺，因为没有假核苷酸和 2′-O-甲基，rRNA 的生物生成就会中断。长非编码 RNA（lncRNA）的修饰主要是甲基核苷酸衍生物，包括 m6A 和 m5C。lncRNA 的修饰会影响 lncRNA 的稳定性、蛋白质相互作用和亚细胞分布。目前，主流的 RNA-seq 方法无法全面、定量地绘制非编码小 RNA 的修饰图谱。在此，作者总结了目前有关 RNA 修饰的知识，重点介绍了几种已知类型的调控机制和生物学后果。

图1. RNA修饰领域的里程碑事件

uRNA修饰的主要类型

作者首先对RNA 修饰的可逆和不可逆修饰进行了区分。可逆类型通常是化学侧链上较小规模的修饰，从简单的甲基化到一些大分子量的附加物。这些可塑性和可逆性 RNA 修饰广泛存在于基因调控和细胞状态中。非可逆 RNA 修饰主要包括 RNA 编辑、剪接和转录本内容修饰（如内含子保留）。与可逆类型相反，这些修饰直接改变了序列信息，放大了转录组的可塑性和多样性。图 2 和表 1 显示了八种 RNA 修饰的化学结构和分布。

图2. 8种RNA修饰的化学结构、分布和分子功能

表1.主要RNA修饰类型的一般特征

腺苷修饰：

N6-methyladenosine (m6A)：

m6A修饰指的是N-6位腺苷碱基的甲基化。m6A主要富集在mRNA的CDS和3'UTR区域，以及大多数非编码RNA，包括rRNA、lncRNA、环状 RNA（circRNA）、microRNA（miRNA）、小核 RNA（snRNA，snoRNA）。m6A修饰广泛影响不同RNA类别的命运，进而调控各种细胞过程。在 mRNA 中，m6A 甲基化可影响剪接、输出、稳定、降解和翻译。在 rRNA 中，18 S rRNA 中的 A1832 甲基化和 28 S rRNA 中的 A4220 甲基化对翻译至关重要。在 miRNAs 中，m6A 可通过招募 DGCR8 促进 pri-miRNA 的加工，或通过某种排他性机制下调控多个 miRNAs。在 lncRNAs 中，m6A 修饰可作为结构开关调节 RNA 与蛋白质的相互作用，或稳定 lncRNAs 以确保其功能。在cirRNAs中，m6A可促进细胞质输出、翻译和降解。此外，m6A 还参与调节 snRNA 的剪接和生物生成。尽管 m6A 甲基化已被广泛研究，但其基本原理远未阐明。以往的研究主要集中于 mRNA，而 m6A 与非编码 RNA 之间的相互作用值得更多关注。

N6,2′-O-dimethyladenosine (m6Am)：

m6Am 由 2′-O-甲基化的腺苷产生，该腺苷在 N6 位被共转录甲基化。根据定量研究，在不同生物和细胞类型的 mRNA 中，m6Am 的含量从 10% 到近 50% 不等。以前的研究表明，宿主 PCIF1 在病毒 RNA 上安装的 m6Am 可介导免疫逃避，而宿主 m6Am 则同时具有抗病毒和支持病毒的作用。PCIF1 专门催化帽子结构中的 m6Am，它的重大发现推动了相关探索。以往的研究大多采用 m6A 图谱规程而非特定的 m6Am 图谱方法，这导致了研究结果的可重复性差且存在争议。因此，迫切需要更具体、更有效的方法来阐明 m6Am 修饰在基因表达中的调控作用。

N1-methyladenosine (m1A)：

m1A 是 20 世纪 60 年代发现的 N1 位腺苷的甲基化，已在 tRNA、rRNA、lncRNA 和 mRNA 中发现，其中 tRNA 中的修饰作用是最重要的。m1A已被发现并富集在病毒RNA的特定区域，但其在先天免疫中的影响尚不明确。作为最丰富的内部 RNA 修饰之一，m1A 的机制和生物学功能在很大程度上仍不为人所知。含 YTH 结构域的蛋白作为 m1A 阅读器的作用可能会带来新的科学前景。至于它对 RNA 碱基配对的影响是否会影响 RNA 的相互作用，如 miRNA 与 mRNA、lncRNA 和 circRNA 的相互作用，还需要更多的探索。

胞嘧啶修饰：

5-methylcytosine (m5C)：

自从1958年在RNA中被发现以来，DNA中5位胞嘧啶残基的甲基化m5C被发现广泛分布于RNA中，包括tRNA、rRNA、mRNA、增强子RNA (enhancer RNA, eRNA)和miRNA。研究发现m5C修饰在不同真核生物的受精卵中广泛发生在母体mRNA上，调节小鼠、斑马鱼和果蝇的胚胎发生。m5C修饰在RNA的稳定，输出和翻译中起着至关重要的作用。m5C修饰符与其特定目标之间的匹配带来了挑战，也带来了机遇。靶向某些特定修饰位点保留了巨大的治疗潜力。

N4-acetylcytosine (ac4C)：

ac4C，即胞嘧啶N4位的乙酰化，是第一个被描述的乙酰化事件。正如最初在tRNA和rRNA中发现的那样，ac4C也被证实广泛存在于mRNA上。在tRNA中，ac4C位于tRNAMet的摆动位置和tRNASer/Leu的d臂位置。在真核生物的18s rRNA中，ac4C主要沉积在编码位点附近的螺旋34和螺旋45。在mRNA中，ac4C位于CDS区和5ʹUTR，富集在编码氨基酸的第3个密码子。RNA ac4C修饰在细胞周期、炎症应激、肿瘤、早发性疾病和病毒感染等方面的研究进展已有报道。tRNA上ac4C的存在有助于维持tRNA的热稳定性和细胞的高耐热性，提高翻译的保真度和效率。ac4C修饰对于维持翻译准确性、前rRNA加工和核糖体合成至关重要。但目前对于ac4C修饰物和分子功能的认知仍有很大的未知。由于NAT10辅因子已在人rRNA或tRNA的ac4C形成过程中被鉴定，因此是否存在新的辅因子催化mRNA ac4C是值得关注的。特别是目前还没有发现erasers和readers，是否存在去乙酰化机制还需要更多的验证。

鸟嘌呤核苷修饰：

N7-methylguanosine：

m7G，即RNA的N7位鸟嘌呤甲基化，首先在mRNA的5 '帽(m7GPPPN)被发现，稳定转录并进一步介导帽相关的生物学功能。到目前为止，m7G被发现位于mRNA、tRNA和rRNA的内部位置，m7G修饰广泛参与多种生物学过程。目前对m7G调控因子的了解显然有限。还没有发现特异性的去甲基化酶可以调节m7G的整体平衡。m7G修饰是否通过影响RNA的二级结构或招募RNA结合蛋白来调控基因表达尚不清楚。此外，m7G与其他转录后的相互作用越来越受到关注，需要更多的探索来揭示潜在的机制。

尿嘧啶修饰：

Pseudouridine (Ψ)：

Ψ是尿苷的5 -核苷异构体，是最早发现和最丰富的RNA修饰。Ψ存在于广泛的RNA中，包括tRNA、rRNA和各种小RNA，在物种间高度保守。其广泛分布决定了其在调节基因表达、调控发育和疾病中的细胞程序方面的重要性。Ψ对于稳定tRNA结构和tRNA密码子-反密码子碱基配对至关重要，进而影响翻译过程。此外，Ψ-modified tRNA衍生的片段可以抑制异常的蛋白质合成。此外，Ψ还参与mRNA的前加工、mRNA的结构和稳定性、翻译保真度和终止。rRNA Ψ在rRNA加工和蛋白质合成中起功能性作用。虽然已经发现了70年，但关于Ψ的机制和功能的知识仍然有很多空缺。阐明假尿苷基化是否可逆是未来研究的重点方向之一。诱导型假尿苷化的研究取得了令人振奋的结果，为探索潜在的治疗方法开辟了新的途径。值得注意的是，Ψ已被证实对COVID-19 mRNA疫苗做出了关键贡献。

RNA编辑：

A-to-I editing：

RNA编辑在转录后水平修饰原代mRNA和miRNA，改变DNA的编码信息。它于1986年首次发现于锥虫线粒体mRNA中。迄今为止，RNA编辑已在tRNA、rRNA和miRNA中被发现。最常见的类型是腺苷转化为肌苷(A-to-I编辑)，然后肌苷被翻译机制识别为鸟嘌呤。已有研究表明，adar1介导的A-to-I编辑参与了干细胞多能性和维持、神经发育和功能以及免疫应答。A-to-I编辑只发生在由倒Alu重复元件(Alu dsrna)构成的RNA的双链区域，并且在编码序列中的频率远低于非编码序列(如UTR和内含子)。近年来，以A-to-I编辑为代表的RNA编辑技术已成为纠正致病突变、调节基因表达和蛋白质功能的有力工具。其短暂的药效学作用可用于病毒感染、肥胖、炎症和急性疼痛等疾病的治疗。此外，蛋白质功能的瞬时调节为肿瘤和再生药物开辟了新的途径。

RNA修饰的主要数据库：

目前已经建立了15个关于RNA修饰的数据库，其中两个数据库集中于RNA修饰的生化特征，其余的旨在阐明RNA修饰的生物学作用。后一部分包括可逆性RNA修饰数据库(可进一步分为综合性和类型特异性)和非可逆性RNA修饰数据库，即RNA编辑数据库(表2)。

表2.RNA修饰数据库

RNA修饰谱的测序方法：

随着二代测序(NGS)技术的进步，许多实验方法被设计用于分析RNA修饰。一般来说，测序方法的原理可分为两类。第一种是基于抗体或化学标记捕获修饰的RNA片段，如用于m6A分析的MeRIP-seq。另一种策略是使用酶辅助反应或在修饰的碱基上进行特定的化学反应，如Ψ的Pseudo-seq。这些反应会导致碱基的缺失，取代，或截短，在被修饰的碱基之前或之后。表3简要介绍了目前测序方法的特点。

表3.RNA修饰的测序方法

2.RNA修饰与细胞代谢

细胞代谢是一个灵活的网络，允许细胞满足其生物能和生物合成的需求。在恶性肿瘤细胞中，代谢重编程与肿瘤的发生、发展、转移和化疗耐药密切相关。除了备受关注的癌症代谢外，代谢的影响还广泛存在于各种疾病中，包括糖尿病、肥胖、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和动脉粥样硬化。在这些病理过程中，失调的RNA修饰因子通过靶向作用于代谢酶、转运蛋白、代谢相关转录因子或通路，显著参与代谢改变。本文总结了RNA修饰异常对糖、脂、氨基酸和线粒体代谢的影响，并讨论了代谢对RNA修饰的影响。

葡萄糖代谢：葡萄糖是细胞的主要能量来源，其代谢途径主要包括有氧氧化、厌氧消化、磷酸戊糖途径(PPP)、糖原合成和糖异生。糖酵解是生物体内基本的产能过程，葡萄糖分解为丙酮酸盐，自由能释放为ATP。正常情况下，胞质内的糖酵解后，在有氧条件下，线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)产生大量ATP。而在癌细胞中，即使在氧供应充足的情况下，糖酵解也优先于线粒体呼吸，即所谓的瓦伯格效应。值得注意的是，RNA修饰已被证实通过直接或间接调节糖酵解相关基因的表达在葡萄糖代谢途径中发挥关键作用(图3和表4)。

2型糖尿病(T2D)的特征是胰岛素抵抗和高血糖。胰岛β细胞功能的完整性对维持血糖稳态至关重要。已证明高葡萄糖浓度可降低人类和小鼠胰岛中的m6A水平值得注意的是，m6A修饰在胰岛β细胞生物学中起着至关重要的作用。糖代谢异常表现为糖酵解活性增强和乳酸发酵，是肿瘤代谢重编程的基本组成部分。

图3.RNA修饰在葡萄糖代谢中的作用

表4.葡萄糖代谢中的RNA修饰

脂质代谢：脂质是生物膜的重要组成部分，是生物合成的基石，也是重要的能量储存。根据综合分类系统，脂类分为脂酰类(FA)、甘油脂类(GL)、甘油磷脂类(GP)、鞘脂类(SP)、固醇类(ST)、丙醇类(PR)、糖脂类(SL)、聚酮类(PK)。在高营养可利用性条件下，FA可以酯化并储存在脂滴中，而在能量胁迫条件下，FA氧化(FAO)，也称为β-氧化，水解生成ATP。FA的合成受固醇调节元件结合蛋白1c (SREBP1c)的控制。在生长因子的刺激下，前体被加工成成熟的SREBP1c，然后转位到细胞核中，以改善靶基因的转录，包括脂肪酸合成酶(FASN)，乙酰辅酶a羧化酶(ACC)，硬脂酰辅酶a去饱和酶1 (SCD1)和acly。胆固醇是合成脂溶性维生素和类固醇激素的物质，也与GL，GP和SP的脂质代谢失调与多种病理有关，RNA修饰参与各种代谢环节(图4和表5)。

图4.RNA修饰在脂质和氨基酸代谢中的作用

表5.RNA修饰在脂质，氨基酸和线粒体代谢

线粒体代谢：线粒体作为细胞的代谢中心，在肿瘤的发生中起着不可或缺的作用。有氧糖酵解在肿瘤生物能量代谢中占据重要地位，但OXPHOS和线粒体依赖的能量供应被认为是维持某些肿瘤细胞干性的关键。此外，为合成代谢提供物质、产生ROS以及维持调节性细胞死亡(RCD)信号通路对肿瘤进展有重要作用。在体内和体外实验中，FTO介导的去甲基化通过靶向动力相关蛋白1 (Drp1)减轻肝脏氧化应激和线粒体碎片，在肝脏缺血再灌注损伤(HIRI)进展中发挥保护作用。

氨基酸代谢：氨基酸除了作为合成蛋白质或肽的底物外，还通过脱氨基或转氨基的方式分解生成合成代谢的基础物质，如在三羧酸循环中用于释放能量的α-酮酸。特别是，谷氨酰胺具有除代谢燃料或蛋白质前体之外的多种生物功能。谷氨酰胺分解是肿瘤代谢重构的另一个显著特征。鉴于癌症通常对某些非必需氨基酸具有营养缺陷性，靶向这些氨基酸的供应已被证实是一种有效的治疗干预措施。既往研究证实了m6A修饰在谷氨酰胺代谢中的调控作用。FTO介导的m6A去甲基化上调了谷氨酰胺转运体SLC1A5的表达，并且FTO抑制独立于HIF抑制了VHL缺陷的ccRCC细胞的增殖和活力。m6A修饰在抑制谷氨酰胺分解的CRC细胞抗肿瘤效果中发挥了重要作用。总之，如图5所示，许多蛋白质和RNA修饰介导的代谢涉及各种疾病的进展。为了将这些疾病的预防和治疗方案付诸实践，需要对RNA修饰和代谢紊乱的透彻理解。

图5.疾病中RNA修饰对代谢的表观遗传调控

3.RNA修饰与免疫代谢

一般来说，免疫代谢涉及到激活和静息免疫细胞的区别。前者代谢方式类似于恶性细胞，无明显的OXPHOS, Warburg效应;后者从FAO和Krebs循环中获取能量。已经描述了不同免疫细胞亚群的相应代谢模式。本文重点研究了RNA修饰在不同免疫应答中对免疫代谢的贡献(图6)。

图6.RNA修饰对免疫代谢的影响。

抗肿瘤免疫：肿瘤免疫微环境(tumor immune microenvironment, TIME)的概念强调免疫细胞、肿瘤细胞和免疫系统其他组分之间的相互作用，通过营养物质的消耗和代谢产物的释放，影响免疫应答。为了维持肿瘤细胞的快速增殖，肿瘤细胞需要消耗大量的葡萄糖、谷氨酰胺和精氨酸等氨基酸，这对免疫细胞构成了不利的生存环境。目前普遍认为肿瘤细胞诱导的葡萄糖耗竭参与了免疫抑制性TME。肿瘤细胞在谷氨酰胺消耗方面往往比这些免疫细胞具有优势，因为肿瘤细胞过表达蛋氨酸转运蛋白Slc43a2，从而限制了蛋氨酸代谢和T细胞的抗肿瘤功能。但RNA修饰是否参与免疫细胞的谷氨酰胺代谢仍有待探索。多项研究证实，m6A甲基化通过靶向调控脂质摄取和胆固醇外流之间的平衡，参与维持巨噬细胞的功能稳态。

抗病毒免疫：感染性疾病的发病机制包括免疫系统自身缺陷和病原体的免疫逃逸两部分。一方面，病毒RNA上的特异性RNA修饰被描述，包括m6A、m5C ac4C、Ψ和RNA编辑，从而影响病毒RNA的感知和信号传导。另一方面，RNA修饰通过调节免疫细胞功能影响宿主对病毒感染的应答。干扰素途径是m6A修饰调节抗病毒固有免疫的主要靶点。除此之外，RNA修饰和代谢过程之间的关系仍不清楚。

炎症与自身免疫性疾病：炎症反应是通过协调调节的基因表达程序实现的，包括急性型和慢性型。对微生物、自身免疫、过敏、代谢失调和物理损伤的反应会产生不同类型的炎症。直到最近，RNA修饰在炎症和抗炎基因表达中的调节作用已被证实。既往研究表明，m6A修饰参与自身免疫性疾病的发病机制。例如，METTL3在RA患者中显著上调，并与CRP和ESR (RA疾病活动的两种常见标志物)呈正相关。在系统性红斑狼疮(systemic lupus erymatosus, SLE)中，CD4 + T细胞中发现m5C水平降低和NSUN2低表达，并且SLE中超甲基化m5C修饰的上调基因富集在炎症通路。

4.RNA修饰的临床意义

RNA修饰与代谢疗法的治疗反应：对于目前已获批的代谢性药物，其临床应用面临的挑战是由于代谢通路重构或代偿性代谢途径导致的耐药。因此，多途径阻断或联合治疗可能优于单药治疗。值得注意的是，多项研究支持联合使用靶向RNA修饰可改善对一些代谢靶向药物的化学耐药性。m6A修饰对CRC对5-FU耐药性的影响就是一个典型的例子。此外，抑制METTL14在体内外均可有效地使GEM重新增敏。

RNA修饰与免疫治疗的治疗反应：研究表明，m6A调节因子显著影响对检查点阻断的治疗反应。在体内，去除FTO可降低几种显著的黑色素瘤促进基因的表达，并使抗pd -1治疗增敏。除了检查点阻断治疗，靶向m6A修饰在改善过继性细胞治疗中显示出了良好的潜力。在体外调节METTL3和YTHDF2以增强NK细胞的增殖和细胞毒性方面取得了令人鼓舞的进展，这可能为基于NK细胞的免疫治疗提供新的方案。目前还没有在CAR T细胞中调节m6A甲基化的报道，但考虑到m6A调节因子在决定T细胞功能和命运中的重要作用，新的治疗策略有望实现。

高分综述：细胞代谢中的RNA修饰

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