2024年首篇！刘如娟/施一公等团队合作取得新进展

2024年1月2日，上海科技大学刘如娟、西湖大学施一公及圣裘德儿童医院xu beisi等团队合作在nucleic acids research 在线发表题为“thumpd2 catalyzes the n²-methylation of u6 snrna of the spliceosome catalytic center and regulates pre-mrna splicing and retinal degeneration ”的研究论文，该研究发现一种rna修饰-n²-甲基鸟苷(m²g)沉积在u6 snrna的g72上(剪接体的催化中心)，促进了人类细胞中有效的pre-mrna剪接活性。这种修饰在脊椎动物中被证实是保守的。

通过明确识别u6特异性序列和结构元件，thumpd2被证明是负责u6 m²g72的甲基转移酶。敲除thumpd2消除了u6 m²g72，破坏了pre-mrna剪接活性，导致人类细胞中内源性pre-mrna的数千个可选剪接事件发生变化。值得注意的是，异常剪接的pre-mrna群体引发了无义介导的mrna衰变途径。进一步表明，thumpd2与年龄相关性黄斑变性和视网膜功能有关。因此，该研究证明了主要剪接体的rna表观遗传修饰如何调节全局前mrna剪接并影响生理和疾病。

pre-mrna被称为“剪接体”的巨rna-蛋白复合物剪接成成熟的mrna，在真核生物中起着关键作用。从酵母到哺乳动物，剪接事件的频率从所有蛋白质编码基因的约5%增加到约98%。在酿酒酵母的约6000个基因中大约有300个基因含有一个内含子，而在人类的约20,000个基因中平均含有8个内含子。有趣的是，大量的生化和结构研究表明，剪接体的整体组织和剪接催化核的结构在人类和酵母之间是非常保守的。因此，在高等真核生物中大量的剪接事件对剪接体的操作能力提出了挑战，但确切的潜在机制尚不清楚。

剪接体是一种在pre-mrna上动态重新形成的蛋白质协调核酶，涉及5种保守的小核rna(snrna)：u1, u2, u4, u5和u6，具有多种蛋白质。snrna催化pre-mrna剪接，而u6位于剪接体的催化核心。u6的内部茎环(internal stem-loop,isl)是剪接催化中心的主要组成部分。在pre-mrna剪接过程中，催化核的核苷酸与两个催化金属离子螯合以完成分支和外显子连接。

rna修饰在各种生物事件中起着关键的调节作用。在高等真核生物中，u6在转录后被大量修饰，在多个位点检测到假尿嘧啶(ψ)和2'-o-甲基化(nm)，并检测到两个单独的n⁶-甲基腺苷(m⁶a，人类u6的核苷43)和n²-甲基鸟苷(m²g，人类u6的核苷72)。u6的ψ和nm主要分别由box c/d snornp (dyskerin)和box h/aca snornp(fibrarin)引入，可能增加了u6中的碱基堆叠和碱基配对。最近，发现u6 m⁶a被mettl16甲基化，对识别5 '剪接位点(5 ' s)至关重要。然而，唯一的另一个碱基甲基化(m²g72)的作用仍然难以捉摸。

文章模式图（图源自nucleic acids research）

g72是一个保守的催化活性位点，存在于从酵母(g78)到人类的各种生物中。人类主剪接体的结构表明，isl的g72(酵母中的g78)参与剪接体活化催化中心的形成，并直接与催化金属离子m1结合。在剪接催化的双金属离子模型中，人u6-g72、-u74和pre-mrna提供sp磷酸氧结合两个金属离子，与5 ' ss鸟苷的磷酸结合去除内含子。在一些哺乳动物的u6序列中，可以鉴定出g72上的m²g修饰。尽管这种修饰在40年前首次被发现，但其对前mrna剪接的影响及其生理作用仍不清楚。

本研究表明，m²g72存在于斑马鱼、小鼠和人类的u6中，但不存在于u6atac中(u6在次要剪接体中的功能类似物)。利用反向遗传学方法结合rna-质谱法，该研究发现thump结构域蛋白2(thumpd2)是负责修饰的甲基转移酶。thumpd2与一个辅助蛋白，一个多功能甲基转移酶亚基trm112样蛋白(trmt112)相互作用，催化u6 m²g72。体外pre-mrna剪接实验表明，u6 m²g72缺失降低了剪接体的剪接活性。thumpd2的缺失导致数千个选择性剪接(as)事件的改变，并上调无义介导的mrna衰变(nmd)途径。最近的全基因组关联研究(gwas)发现了与年龄相关性黄斑变性(amd)相关的thumpd2基因变异。本研究发现，约50个已报道的amd相关基因和另外30个具有视网膜特异性功能的基因的pre-mrna是thumpd2介导的剪接调控的直接靶点，提示thumpd2在amd发病机制中的作用。