NBT：为RNA戴上“新帽子”——北京大学陈雪梅/胡昊发现一类神秘的RNA修饰广泛存在，并可能快速响应环境变化

细胞代谢物已被发现可作为非经典RNA帽子。尽管脱磷酸辅酶A（dpCoA）帽子作为RNA帽子结构被较早发现，但由于缺乏检测技术，其特性在很大程度上仍未得到阐明。

2026年3月4日，北京大学陈雪梅和胡昊共同通讯（胡昊助理研究员和博士生张琦玥为本研究的共同第一作者）在Nature Biotechnology 在线发表题为“Quantification and transcriptome profiling reveal abundant, dynamic and translatable dephospho-CoA-capped RNAs”的研究论文。该研究通过生化和结构分析，鉴定出拟南芥NUDT11是一种特异性作用于dpCoA-RNA的去帽子酶。利用这一特异性，作者开发了生化和转录组学方法，用于在全基因组范围内定量和描绘dpCoA-RNA的分布特征，结果表明dpCoA-RNA广泛存在于不同物种中，并表现出组织特异性和/或条件特异性差异。

在拟南芥中，dpCoA-RNA具有独特的转录起始位点，并且与7-甲基鸟苷（m7G）加帽RNA相比，对高光强度的响应更为迅速。此外，拟南芥中dpCoA-RNA的丰度最高可达m7G加帽RNA的15%，并且与翻译中的核糖体相关联。作者进一步证明，体外转录的dpCoA-RNA能够在人类细胞中进行翻译。本研究揭示了一种动态的dpCoA帽子结构，它可能潜在影响基因表达，并为未来研究建立了一套工具包。

细胞代谢与基因表达之间的相互作用是维持稳态的基础，尤其在生物体面对环境因素刺激时。这一相互作用的核心是含腺嘌呤的核苷酸代谢物，例如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或辅酶A（CoA）。传统上，这些代谢物在代谢反应中作为酶辅助因子或共底物发挥作用。然而，新出现的证据表明，这些代谢物也充当调控分子，通过染色质重塑、翻译后修饰（例如，ADP-核糖基化和CoA化），以及最近发现的作为非经典5′ RNA帽子来影响基因表达。

早在20世纪70年代及后来的21世纪初，研究就证明NAD、FAD和脱磷酸辅酶A（dpCoA）在体外可作为大肠杆菌和T7 RNA聚合酶的非经典起始核苷酸，替代三磷酸腺苷（ATP）来启动转录。它们作为帽子被合并到RNA中的首个体内证据出现在2009年，当时在大肠杆菌和委内瑞拉链霉菌的小RNA 5′末端发现了NAD和dpCoA。此后，三重四极杆液相色谱-质谱等高灵敏度检测方法的进步，使得在从病毒、细菌到哺乳动物等多种生物体中发现了广泛的RNA帽子，包括NAD、FAD、尿苷二磷酸（UDP）-葡萄糖、UDP-N-乙酰葡糖胺和Ap4A。它们作为RNA帽子的存在，补充了真核生物mRNA中众所周知的7-甲基鸟苷帽子，并提示了一个先前未被充分认识的、将细胞代谢状态与RNA命运联系起来的调控层面。

NAD加帽RNA（NAD-RNA）是表征最广泛的非经典加帽RNA形式。NAD捕获测序、SPAAC-NAD-seq和基于纳米孔的NAD标签测序等方法学的突破，以及后续的改进，使得能够在多种生物体中鉴定和分析NAD-RNA。在功能上，NAD帽子在不同物种中表现出多样的作用。在细菌中，NAD帽子保护转录本免受降解。在大肠杆菌中，T4噬菌体感染期间，NAD-RNA可通过ModB介导的RNA酰化作用连接到蛋白质上。在金黄色葡萄球菌中，一种称为RNAIII的群体感应调控RNA，其10–35%的转录本带有NAD帽子。NAD-RNAIII的增加会导致该细菌产生的几种毒素表达下降。在哺乳动物细胞中，NAD帽子与衰老以及人类免疫缺陷病毒感染期间的抗病毒反应相关。

在拟南芥中，RNA NAD加帽可能参与对植物激素脱落酸的响应，并通过降低转录本稳定性来调控种子萌发。NAD-RNA普遍存在且主要来源于蛋白质编码基因；它们经过剪接、多聚腺苷酸化，并在翻译核糖体中富集，暗示其在蛋白质合并中也可能具有潜在作用。然而，其他研究表明NAD-RNA缺乏翻译能力，因为将NAD-RNA引入体外翻译系统或转染到人类细胞中时，未观察到可检测的蛋白质表达，这使NAD-RNA是否在功能上参与翻译成为一个悬而未决的问题。然而，最近的研究表明，在大肠杆菌中，在某些情况下（例如对于无前导序列的转录本），NAD-RNA参与翻译。此外，NAD-RNA丰度具有高度动态性，在酵母、果蝇、小鼠、人类和植物等多种生物体中，随生长阶段或发育阶段、营养可用性、应激条件和病毒感染而变化。它们的生物合成和周转似乎在时空上受到严格控制，突显了其潜在的调控功能。

dpCoA-RNAs具有可翻译性（图片源自Nature Biotechnology ）

非经典帽子的添加和去除是其动态调控的关键事件。包括细菌RNAP、真核核RNAP II和线粒体RNAP在内的RNAP可以共转录地合并NCINs，尽管效率各不相同。启动子结构在转录中也起着关键作用。转录起始位点附近的特定序列特征，特别是在-1、+1和+2位置，极大地影响了非经典加帽的可能性。值得注意的是，这些序列决定因素在原核生物和真核生物之间存在差异，突显了进化上不同的帽子选择机制。此外，非经典帽子优先出现在来自短且高表达基因的转录本上，这强化了其合并并非随机，而是选择性导向特定转录本类别的观点。然而，尽管有这些认识，实现不同非经典帽子合并的分子机制在很大程度上仍然未知。

与理解非经典帽子添加同等重要的是阐明这些帽子如何被去除。两个主要的酶家族介导去帽子过程：DXO/Rai1家族，其水解第一个磷酸二酯键以释放完整的帽子；以及Nudix水解酶家族，其切割帽子内的焦磷酸键。这两个家族都对包括NAD、FAD和dpCoA在内的多种帽子起作用。其中，dpCoA-RNA特别容易受到Nudix蛋白介导的去帽子作用影响，酵母NPY1、细菌NudC和几种哺乳动物NUDT酶均显示出活性。在拟南芥中，迄今已证明AtNUDT19和AtNUDT27在体外可切割dpCoA-RNA。然而，已知作用于dpCoA-RNA的酶均非dpCoA-RNA特异性。去帽子酶的发现使得能够开发全转录组分析策略。例如，CapZyme-Seq利用去帽子作用将加帽RNA转化为可连接的5′-单磷酸RNA，从而促进NCINs的单核苷酸分辨率定位。然而，DXO/Rai1和Nudix酶的广泛底物特异性限制了CapZyme-Seq中的帽子区分。为了克服这一点，研究人员使用了靶向FAD加帽RNA的选择性酶——拟南芥AtNUDT23，来揭示FAD帽子在病毒免疫逃逸中的功能。

在本研究中，作者使用QQQ-LC–MS在多种模式生物中检测并定量了dpCoA帽子，证明了其进化保守性。作者发现核酸酶P1消化会破坏dpCoA结构，导致dpCoA-RNA丰度被低估。在拟南芥中，作者鉴定出AtNUDT11、AtNUDT15和AtNUDT22为dpCoA-RNA特异性去帽子酶；它们在所有已知的RNA非经典帽子中选择性地作用于dpCoA帽子，并且对dpCoA-RNA的偏好性远高于游离dpCoA。作者解析了AtNUDT11的晶体结构，并构建了AtNUDT11与CoA的复合物模型，这有助于解释其对dpCoA-RNA的特异性。利用AtNUDT11和基于薄层色谱的定量方法（dpCoA-TLC），作者能够精确量化不同物种、组织和RNA类别中的dpCoA-RNA，显示出其高丰度和组织特异性。为了绘制转录组范围内的dpCoA-RNA图谱，作者建立了dpCoA-CapZyme-seq，这是一种基于AtNUDT11特异性的测序方法，并揭示了拟南芥中dpCoA-RNA的特征及其在光合作用相关基因中的富集。作者进一步使用Northern印迹法测定了来自相同基因的dpCoA-RNA和m7G加帽RNA的相对丰度，发现dpCoA-RNA可累积至m7G-RNA水平的8–15%。在高光强胁迫下，dpCoA-RNA比其对应的m7G-RNA表现出更快速和更显著的诱导。此外，作者证明dpCoA-RNA能够被主动翻译，表明这种非经典帽子修饰不仅在转录水平受到调控，而且在翻译水平上也具备功能活性。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-026-03040-4