《自然-化学生物学》六月合集：携手推动RNA突破

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早在约70年前，科学家就发现了第一个RNA修饰——假尿苷（Ψ）。迄今为止，人们已经发现了超过170种RNA修饰，几乎存在于所有类型的RNA中。RNA可以在酶的作用发生稳定且可逆的化学修饰，从而发生相应的功能改变，这一点类似于染色质的表观遗传调控。2010年，“RNA表观遗传学”的概念出现，并催生了“表观转录组学”领域，以期精准地检测转录组水平RNA修饰的分布和数量。随着高通量测序技术的发展， 科学家们已经能够大规模分析像Ψ和m⁶A这样的修饰。进一步研究RNA修饰在时间和空间上的变化，有助于理解它们如何精细调控细胞功能。一项最近的研究绘制了单碱基水平的核内RNA m⁶A图谱，发现了重复序列RNA中的m⁶A修饰能够调控卫星序列转录和染色体分离过程。

扫码查看观点文章Nuclear m⁶A modification regulates satellite transcription and chromosome segregation

RNA表观遗传学的研究中涉及三类关键的RNA结合蛋白（RBP）：负责添加修饰的“写入酶”（writers），负责去除的“擦除酶”（erasers），以及负责识别修饰的“读取蛋白”（readers）。何川和豆晓阳在其最近的观点文章中总结了m⁶A RNA表观遗传学的新进展，揭示了m⁶A及其相关RBP在调控染色质动态和转录中的新作用。他们强调了与染色质结合的调控RNA的作用，这类RNA的修饰和二级结构，以及其与非编码小RNA的相互作用，可通过各类RNA结合蛋白影响DNA和组蛋白修饰，从而最终调控染色质状态和基因表达。为了进一步解析RNA与RBP之间的相互作用，Mo、Chen和Cui等开发了一种基于邻近标记的方法（PAINT），用于分析与环状RNA和RNA G-四链体结合的RNA结合蛋白。

扫码查看观点文章Regulatory elements on chromatin-associated RNA 15 years beyond RNA epigenetics

扫码查看论文In situ proximity labeling of proteins associated with circRNA and RNA G-quadruplexes

CRISPR-Cas技术的发展为科学家们提供了更加方便的RNA靶向工具， 通过与相应的RNA修饰酶结合，可以在RNA的特定位点引入特定修饰。Yu等人提出了一种基于Cas13的策略，实现位点特异性的N⁴-乙酰胞苷（ac⁴C）修饰，为研究该修饰的功能提供了工具。此外，一些RNA修饰可以改变碱基配对偏好，从而重新编码转录本及其对应的蛋白产物，这一过程被称为RNA编辑。通过利用细胞内RNA加工机制和化学生物学方法，研究人员们能够开发更为高效的RNA编辑和合成工具，从而推动基础研究和治疗应用。例如，Smargo等利用小核RNA引导内源性RNA修饰酶靶向特定RNA，从而提高RNA碱基编辑效率。Pan等设计小核仁RNA（snoRNA）实现tRNA和提前终止密码子中的U到Ψ编辑，从而改善翻译读通效率。此外，Medina和Maola等通过定向进化获得了能够高效整合带修饰的核糖核苷酸的RNA聚合酶。

扫码查看观点文章Programmable RNA base editing via targeted modifications

扫码查看论文Programmable RNA acetylation with CRISPR–Cas13

扫码查看论文Enhancing RNA base editing on mammalian transcripts with small nuclear RNAs

扫码查看论文A Ψ–Ψ codon–anticodon pairing in nonsense suppression and translational recoding

扫码查看论文Rapid evolution of a highly efficient RNA polymerase by homologous recombination

这些工具的发展离不开对RNA基本机制的深入理解。本专题还报道了一系列核酶和RNA加工酶的结构与功能，强调了获取结构信息对理解功能机制的重要性。例如，来自两个不同研究组的文章揭示了细菌RNA聚合酶是如何利用二核苷四磷酸（Np₄Ns）警报分子作为5′端帽子来启动转录，以及这些帽结构如何被特定酶去除以触发RNA降解。Shin等解析了一种细菌中的tRNA修饰酶TrhO与其靶tRNA复合物的冷冻电镜结构，从而阐明了其在tRNA摆动位点羟基化过程中的独特的反应机制。同时，Chen和Okuda等解析了核酶SAMURI的结构，揭示了其如何利用SAM介导位点特异性的甲基转移，为未来RNA标记工具的开发奠定了基础。Zhang等研究了一种蓝藻中的前体tRNA中的I类内含子介导的剪接与环化过程，为更高效生成环状RNA提供了重要见解。

扫码查看论文Molecular basis for noncanonical transcription initiation from Np₄A alarmones

扫码查看观点文章Molecular insight into 5′ RNA capping with NpnNs by bacterial RNA polymerase

扫码查看观点文章ApaH decaps Np4N-capped RNAs in two alternative orientations

扫码查看论文Unconventional monooxygenation by the O₂-dependent tRNA wobble uridine hydroxylase TrhO

扫码查看论文Structure and catalytic activity of the SAM-utilizing ribozyme SAMURI

扫码查看论文Self-splicing and cyclization mechanisms of the full-length Anabaena pre-tRNA

RNA生物学的基础研究的发展与技术的进步促进了RNA治疗领域的快速发展。目前，除了反义寡核苷酸（ASO）、适配体、小干扰RNA（siRNA）和mRNA疫苗等相对成熟的策略之外，RNA编辑和环状RNA等新兴技术也正在进入临床试验阶段。此外，基于RNA的蛋白降解技术和靶向RNA的小分子也为疾病治疗提供了新方向。尽管如此，该领域仍面临着诸多挑战。在“RNA靶向治疗的挑战与机遇”的问答中，Maria Duca、Samie Jaffrey和陈玲玲等专家分享了他们对该领域的见解，指出当前所面对的技术瓶颈，并提出了潜在解决方案。其中一个反复提到的主题是如何大规模生产治疗用RNA并向特定组织的高效递送。对于靶向RNA的小分子而言，挑战在于如何在结构信息有限的情况下设计具有高度选择性且功能明确的化合物。在Olenginski等的研究性文章里提出了一种“配体绑定”的设计框架，用以发现具有高亲和力的靶向RNA的小分子。

扫码查看论文Challenges and opportunities in RNA-centered therapeutics

扫码查看观点文章Designing small molecules targeting a cryptic RNA binding site through base displacement

最后，科学技术的发展离不开稳固的研究生态系统和持续的资金支持。长期、持续的研究资助对于推动RNA基础研究和临床应用至关重要。国家自然科学基金 “赋能药物创新的RNA基础研究” 重大研究计划强调了跨学科合作在推动RNA基础研究向临床应用转化中的重要性。

扫码查看观点文章Empowering drug innovation through fundamental RNA research in China

总的来说，本专题展示了RNA化学生物学领域一些令人振奋的前沿进展。这里所呈现的只是近期快速发展的一小部分，我们期待未来几年该领域取得更大的发展。