来源：BioArt 2025-12-01 14:20

这项研究通过Pan-Mod-seq、PANORAMA和电镜分析等技术，首次系统揭示rRNA修饰的动态性与环境适应性，为后续进一步理解rRNA表观遗传组在健康和疾病状态中的作用铺平道路。

核糖体是蛋白质翻译的工厂，由高度保守的rRNA和蛋白质构成。研究表明rRNA存在广泛的转录后修饰，且修饰常发生在功能中心，由小核RNA（small nucleolar RNAs，snoRNAs）（真菌，古细菌为snoRNA样RNA）催化介导【1,2】。rRNA修饰的缺失与rRNA前体加工破坏、异常翻译和机体适应性降低有关（详见BioArt报道：Mol Cell丨RNA指纹图谱揭示肿瘤起源和特性）【1】。一个关键问题是rRNA修饰多大程度是可变的。传统观点认为rRNA修饰是静态的；然而，最新研究指出一部分rRNA修饰处于动态变化【3,4】，例如嗜热古菌Thermococcus kodakarensis的数百个rRNA胞嘧啶发生温度诱导的乙酰化（ac4C）【5】。尽管如此，目前对rRNA动态修饰的程度、调节和功能意义依然有限。rRNA修饰的系统性研究一直面临三大挑战：多数方法只能检测单一修饰；通量低，难以并行处理多样本；许多修饰尚无可靠的测序检测方法。

近日，以色列魏茨曼科学研究所分子遗传学系Schraga Schwartz团队在Cell上发表了题为Pan-modification profiling facilitatesacross-evolutionary dissectionof the thermoregulated ribosomal epitranscriptome的研究文章。该研究开发高通量、多修饰和多样本并行检测的Pan-Mod-seq，系统揭示了rRNA修饰在热适应性中的核心作用，特别是m⁵C和ac⁴C的协同热稳定机制，不仅推动了表观转录组学方法的发展，也为理解生物在极端环境中的适应机制提供了全新视角。

为了同时在多样本中系统检测多种rRNA修饰，作者开发了Pan-Mod-seq，其技术优势在于集成多种化学与酶学处理方法足以覆盖常见rRNA修饰；引入样本特异性条形码，支持多样本同时处理；结合多种逆转录酶，增强修饰检测的灵敏度和特异性。与此同时，团队开发称为PANORAMA的分析方法，通过线性模型对修饰数据进行定量和分类。已知修饰图谱的训练和验证显示PANORAMA具有高灵敏度和特异性。

随后，作者使用Pan-Mod-seq技术在细菌（6）、古细菌（6）和真核细胞（2）中选择14个物种在34种生长环境（温度、盐分、生长密度和pH等）中获得88个样本的rRNA修饰图谱。PANORAMA分析发现不同物种间修饰数量显著不同。具体来说，不同于大多数细菌和古细菌有20-30个修饰位点，3种物种的修饰位点明显增多：T. kodakarensis（293），P. abyssi（480）和P. furiosus（458）。值得注意的是，这3种物种的最佳生长温度为85-105℃。总之，这种修饰数量与生长温度而非系统发育的强相关表明rRNA修饰数量与生物热适应性密切相关。动态分析表明46%的修饰位点存在动态变化，尤其是假尿苷（ ）、5-甲基胞苷（m⁵C）和N⁴-乙酰胞苷（ac⁴C）随温度诱导上升。

紧接着，作者探究 、m⁵C和ac⁴C的调节机制。对于假尿苷化，PANORAMA在T. kodakarensis鉴定到22个可能的 位点，其中11个（50%）随温度升高显著诱导。由于古细菌rRNA的假尿苷化由H/ACA盒sRNAs介导，作者筛选到Tko105在65-95℃表达量升高5倍，敲除实验证实Tko105诱导至少6个位点的假尿苷化。功能学实验发现Tko105敲除株在65-75℃正常生长，但在85-95℃生长迟缓甚至缺陷，提示Tko105介导的假尿苷化改变促进热适应；对于m⁵C，PANORAMA在T. kodakarensis、P. abyssi和P. furiosus分别鉴定到22、39和94个m⁵C修饰位点。在P. furiosus，39个位点在78-102℃的m⁵C修饰增加4倍，且85%存在于GCCG基序。团队随后找到RsmB是P. furiosus负责GCCG的甲基转移酶，RsmB敲除显著抑制P. furiosus在高温度环境中的生存，提示RsmB介导m5C促进热适应。有意思的是，高温促进m⁵C既依赖RsmB酶活性的激活，也依赖高温对rRNA结构的改变；对于ac4C，rRNA乙酰化修饰主要发生在CCG基序，TkNat10作为乙酰化酶介导。类似地，高温促进ac4C同样依赖温度对TkNat10的酶活性激活和rRNA结构改变。

值得注意的是，由于修饰位点具有重叠序列，作者发现m⁵C和ac⁴C修饰常常共同发生，形成G-m⁵C-ac⁴C-G串联模块。在P. furiosus和P. abyssi中，分别有46（总48）个和17（总17）个存在m⁵C修饰的GCCG序列具有ac⁴C修饰。作者后续发现虽然GCCG的ac⁴C修饰并不是m⁵C修饰所必须的，但ac⁴C可以促进甲基化的发生。此外，单独m⁵C修饰使得Tm值增加2℃，单独ac⁴C修饰则使得Tm值增加1.9℃，而m⁵C结合ac⁴C使得Tm值增加5.2℃，提示m⁵C-ac⁴C修饰协同促进rRNA的热稳定性。冷冻电镜分析证实P. furiosus的核糖体内存在G-m⁵C-ac⁴C-G串联模块，这些甲基和乙酰基团可以通过C-H-O弱氢键与周围蛋白质和水分子形成稳定网络、填补结构空隙，共同增强极端环境的整体稳定性。

综上所述，这项研究通过Pan-Mod-seq、PANORAMA和电镜分析等技术，首次系统揭示rRNA修饰的动态性与环境适应性，为后续进一步理解rRNA表观遗传组在健康和疾病状态中的作用铺平道路。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.014