Nature： 能催化RNA甲基化的核酶！

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在如今的RNA上，有超过70种具有重要功能的甲基化核苷酸【1,2】。这些带有修饰的核苷酸可以调节非编码的rRNA，tRNA和snRNA的结构和功能，也可以通过调控mRNA的命运影响基因的表达。绝大部分甲基化核苷酸都是在转录后（或共转录）由相关的蛋白质催化酶利用SAM（3-腺苷甲硫氨酸）作为通用的甲基供体催化形成的。甲基转移酶和甲基化核苷酸都被认为是在进化上非常古老的存在【3,4】。

在以DNA和蛋白为基础的现代生命体出现之前，RNA被认为既可以充当遗传物质，又具有催化酶的活性【5】（RNA世界假说）。核酶（Ribozymes）是自然界中存在的一类具有催化活性的RNA分子，可催化RNA的断裂和连接等反应。化学上多样化的核酶似乎已在自然界中消失，但可通过体外选择（in vitro selection）在实验室中重建。在实验室中建立的自烷基化核酶可利用碘，氯乙酰基衍生物或亲电的环氧化物进行反应，而早期的实验设计阻止了能够转移的单碳单元的催化者的出现，因此，是否具有可以催化RNA甲基化的核酶仍是未知的。

2020年10月28日，来自德国维尔茨堡大学的Claudia Höbartner教授在Nature发表研究“Site-specific RNA methylation by a methyltransferase ribozyme”，该研究首次在体外选择中建立了具有位点特异性催化能力的甲基转移核酶。

为寻找可能具有催化RNA甲基化活性的核酶，研究者首先要思考的问题是甲基供体是什么。O6-methylguanine (m6G)指DNA鸟嘌呤6位氧原子上的甲基化修饰。大肠杆菌中的m6G甲基转移酶可将DNA上的甲基基团转移到自身蛋白上。由此，研究者猜测催化RNA甲基化的核酶可能采用m6G作为甲基供体。

体外筛选实验通过对随机RNA序列的不断循环的选择和扩增，可以筛选到具有目标活性的RNA分子（图1）。

 图1

经过多轮循环和筛选，研究者鉴定到一个命名为MTR1的核酶。MTR1通过碱基互补配对的方式靶向目的RNA，并利用外源添加的m6G作为甲基供体实现对靶RNA的甲基化修饰（图2）。通过质谱分析产物的成分，研究者发现MTR1主要介导了靶RNA的m1A修饰。

图2

m1A是tRNA上常见的天然修饰类型，存在于几乎所有门类的生命中。那么MTR1能介导tRNA的m1A吗？通过将MTR1与体外合成的tRNA和大肠杆菌的总tRNA孵育，研究者确认MTR1可以通过碱基互补配对的方式介导tRNA特定位点的m1A修饰。

总的来说，该研究利用体外选择，建立了一个利用m6G作为甲基供体并催化RNA特异位点m1A修饰的核酶（图3），该核酶是同时具有引导和催化功能的RNA分子。该研究提供了关于RNA催化能力的新的见解，并为实现位点特异性m1A修饰提供了新的工具，同时有助于其他具有甲基和去甲基化核酶的开发。有趣的是，研究者在文章的讨论中推测也可能存在具有去甲基化酶活性的核酶，此类核酶能够通过去除m1A，保护RNA的稳定性，维护Watson–Crick base-pairing（碱基互补配对），为RNA世界假说提供新的证据。

图3

参考文献

1. Frye, M., Jaffrey, S. R., Pan, T., Rechavi, G. & Suzuki, T. RNA modifications: what have we learned and where are we headed? Nat. Rev. Genet. 17, 365–372 (2016)

2. Traube, F. R. & Carell, T. The chemistries and consequences of DNA and RNA methylation and demethylation. RNA Biol. 14, 1099–1107 (2017)

3. Becker, S., Schneider, C., Crisp, A. & Carell, T. Non-canonical nucleosides and chemistry of the emergence of life. Nat. Commun. 9, 5174 (2018).

4. Schneider, C. et al. Noncanonical RNA nucleosides as molecular fossils of an early Earth-generation by prebiotic methylations and carbamoylations. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 5943–5946 (2018)

5. Doudna, J. A. & Cech, T. R. The chemical repertoire of natural ribozymes. Nature 418, 222–228 (2002).