撰文 | 小柚
責編 | 兮
在如今的RNA上，有超過70種具有重要功能的甲基化核苷酸【1,2】。這些帶有修飾的核苷酸可以調節非編碼的rRNA，tRNA和snRNA的結構和功能，也可以通過調控mRNA的命運影響基因的表達。絕大部分甲基化核苷酸都是在轉錄後（或共轉錄）由相關的蛋白質催化酶利用SAM（3-腺苷甲硫氨酸）作為通用的甲基供體催化形成的。甲基轉移酶和甲基化核苷酸都被認為是在進化上非常古老的存在【3,4】。
在以DNA和蛋白為基礎的現代生命體出現之前，RNA被認為既可以充當遺傳物質，又具有催化酶的活性【5】（RNA世界假說）。核酶（Ribozymes）是自然界中存在的一類具有催化活性的RNA分子，可催化RNA的斷裂和連接等反應。化學上多樣化的核酶似乎已在自然界中消失，但可通過體外選擇（in vitro selection）在實驗室中重建。在實驗室中建立的自烷基化核酶可利用碘，氯乙酰基衍生物或親電的環氧化物進行反應，而早期的實驗設計阻止了能夠轉移的單碳單元的催化者的出現，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，來自德國維爾茨堡大學的Claudia Höbartner教授在Nature發表研究“Site-specific RNA methylation by a methyltransferase ribozyme”，該研究首次在體外選擇中建立了具有位點特異性催化能力的甲基轉移核酶。
為尋找可能具有催化RNA甲基化活性的核酶，研究者首先要思考的問題是甲基供體是什麼。O6-methylguanine (m6G)指DNA鳥嘌呤6位氧原子上的甲基化修飾。大腸桿菌中的m6G甲基轉移酶可將DNA上的甲基基團轉移到自身蛋白上。由此，研究者猜測催化RNA甲基化的核酶可能採用m6G作為甲基供體。
體外篩選實驗通過對隨機RNA序列的不斷循環的選擇和擴增，可以篩選到具有目標活性的RNA分子（圖1）。
圖1
經過多輪循環和篩選，研究者鑑定到一個命名為MTR1的核酶。MTR1通過鹼基互補配對的方式靶向目的RNA，並利用外源添加的m6G作為甲基供體實現對靶RNA的甲基化修飾（圖2）。通過質譜分析產物的成分，研究者發現MTR1主要介導了靶RNA的m1A修飾。
圖2
m1A是tRNA上常見的天然修飾類型，存在於幾乎所有門類的生命中。那麼MTR1能介導tRNA的m1A嗎？通過將MTR1與體外合成的tRNA和大腸桿菌的總tRNA孵育，研究者確認MTR1可以通過鹼基互補配對的方式介導tRNA特定位點的m1A修飾。
總的來說，該研究利用體外選擇，建立了一個利用m6G作為甲基供體並催化RNA特異位點m1A修飾的核酶（圖3），該核酶是同時具有引導和催化功能的RNA分子。該研究提供了關於RNA催化能力的新的見解，併為實現位點特異性m1A修飾提供了新的工具，同時有助於其他具有甲基和去甲基化核酶的開發。有趣的是，研究者在文章的討論中推測也可能存在具有去甲基化酶活性的核酶，此類核酶能夠通過去除m1A，保護RNA的穩定性，維護Watson–Crick base-pairing（鹼基互補配對），為RNA世界假說提供新的證據。
圖3
原文連接：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2854-z
參考文獻
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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)
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