《细胞》子刊：攻克两大瓶颈，突破性测序技术成功测定人类tRNA化学修饰
学术经纬约 4 分钟转运RNA（tRNA）是生物学中心法则中不可或缺的分子。这种小型RNA可以作为载体将氨基酸转运至核糖体，参与蛋白质合成。近年来，研究发现除了上述核心功能，tRNA还对翻译、基因表达等过程起到了调控作用。
tRNA携带着种类繁多的化学修饰。整个生物界已知的化学修饰有170种左右，而人类tRNA所携带的就有57种之多。化学修饰在疾病过程中发挥着重要作用，例如在癌症和线粒体疾病等人类疾病中，都发现了tRNA的修饰失调。
图片来源：123RF
不过，目前对化学修饰功能的研究主要集中在原核生物和低等真核生物中，而对于人类等哺乳动物，tRNA的化学修饰功能在很大程度上仍是未知数。由于人类内源性tRNA化学修饰的复杂性，在利用RNA测序技术精确定位化学修饰时，科学家们面临着两项主要挑战：
一方面，逆转录酶在遭遇阻碍碱基配对的修饰时通常会停止工作，RNA测序正是利用这一特征来识别修饰，但在人类tRNA中逆转录频繁提前终止，因此无法准确反映tRNA表达、阻碍了修饰图谱的绘制；另一方面，由于人类的不同基因位点存在大量序列相同或高度相似的拷贝，因此在测序时，tRNA读序常与高度相似的基因错位，会导致修饰位点的错误识别，增加了鉴定过程中发现假阳性的可能性。
在一项发表于Cell Chemical Biology的近期研究中，波士顿学院周慧青教授团队开发了名为MapID-tRNA-seq的全新测序技术，成功解决了人类tRNA化学修饰测定的两大难点，实现了对人类tRNA化学修饰和表达水平的高精度分析。论文指出，MapID-tRNA-seq为探索人类tRNA中化学修饰的空间和时间调控提供了全新的实验方法、数据集以及生物信息学流程。
MapID-tRNA-seq的诞生与两项关键改进密切相关。首先，该技术应用了进化型逆转录酶RT-1306。前文提到，传统逆转录酶在人体tRNA中常常会提前终止，而RT-1306对tRNA中种类丰富的大分子化学修饰表现出增强的持续合成能力。RT-1306通过6个氨基酸突变显著提升了“穿透”能力，能够通过空间位阻修饰的阻滞，并产生稳定的突变信号。
逆转录酶RT-1306的部署解决了逆转录提前终止的问题，研究团队的下一个目标是减少人类tRNA的基因冗余，减少相似序列带来的假阳性结果。
为此，研究团队开发了MapID注释系统。简单来说，根据序列相似性，研究团队将人类的448个tRNA基因整合为90个MapID。通过明确标注基因间的变异位点，MapID的辅助有效减少了错误比对，帮助区分真正的修饰信号与遗传变异导致的假阳性。在实验中，该技术能够稳健地识别人类tRNA中的m1A和m3C修饰，验证了识别修饰位点的可靠性。
▲研究示意图（图片来源：原始论文[1]）
综合这两项策略，MapID-tRNA-seq技术为探索人类tRNA化学修饰的调控提供了全新方案。研究团队利用MapID-tRNA-seq绘制了两种乳腺癌细胞系和良性乳腺细胞系中的tRNA化学修饰和表达图谱，发现与良性乳腺细胞系相比，癌细胞系中的线粒体tRNA表达明显下调，这一变化可能反映了癌细胞向糖酵解的代谢转变，揭示了癌细胞中线粒体活性下降的翻译调控。
综上，MapID-tRNA-seq技术的出现有效克服了人类tRNA修饰检测的技术瓶颈，并且揭示了化学修饰在细胞代谢和癌症中的潜在作用，为理解生命基本过程与疾病机制提供了有力的新工具。
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参考资料：
[1] M.L. Tepe et al., MapID-based quantitative mapping of chemical modifications and expression of human transfer RNA. Cell Chemical Biology (2025). DOI: 10.1016/j.chembiol.2025.04.003
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