《Journal of Biological Chemistry》：Global discovery of RNA modifications and functional analysis of m5C methylome in cyanobacteria
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本研究針對(duì)藍(lán)藻RNA修飾譜未知的科學(xué)瓶頸，通過(guò)質(zhì)譜與轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析，在模式藍(lán)藻Synechocystis中系統(tǒng)鑒定21種RNA動(dòng)態(tài)修飾，首次繪制原核生物m5C全轉(zhuǎn)錄組圖譜，發(fā)現(xiàn)824個(gè)高置信位點(diǎn)集中于核糖體、光合作用相關(guān)基因。多組學(xué)整合揭示m5C通過(guò)負(fù)向調(diào)控蛋白質(zhì)豐度影響RNA-蛋白質(zhì)一致性，為原核生物表觀轉(zhuǎn)錄調(diào)控研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫(kù)與方法學(xué)范式。
在生命演化的長(zhǎng)河中，藍(lán)藻作為最早釋放氧氣的光合生物，奠定了地球大氣層演變的基石。然而，這類(lèi)古老原核生物基因表達(dá)調(diào)控的"暗物質(zhì)"——RNA化學(xué)修飾，尤其是5-甲基胞嘧啶（m5C）介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制，始終是未被揭示的科學(xué)謎題。盡管真核生物中m5C被證實(shí)參與干細(xì)胞分化、腫瘤發(fā)生等關(guān)鍵過(guò)程，但藍(lán)藻等原核生物的RNA修飾圖譜仍屬空白，嚴(yán)重制約了我們對(duì)光合生物基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的完整認(rèn)知。
為破解這一難題，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所葛峰團(tuán)隊(duì)在《Journal of Biological Chemistry》發(fā)表突破性研究，首次繪制藍(lán)藻全轉(zhuǎn)錄組RNA修飾圖譜。研究人員采用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)質(zhì)譜技術(shù)，在模式藍(lán)藻集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中定量鑒定出21種RNA修飾，發(fā)現(xiàn)其豐度隨光照強(qiáng)度、溫度脅迫等環(huán)境因素動(dòng)態(tài)變化。尤為重要的是，通過(guò)亞硫酸氫鹽測(cè)序技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在全轉(zhuǎn)錄組范圍精準(zhǔn)定位824個(gè)高置信度m5C位點(diǎn)，覆蓋382個(gè)基因，其中40.17%的位點(diǎn)經(jīng)m5C RNA免疫共沉淀測(cè)序驗(yàn)證。
關(guān)鍵技術(shù)方法包括：基于質(zhì)譜的RNA修飾定量分析、亞硫酸氫鹽測(cè)序構(gòu)建m5C全轉(zhuǎn)錄組圖譜、m5C RNA免疫共沉淀驗(yàn)證、轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組整合分析。所有實(shí)驗(yàn)均采用Synechocystis標(biāo)準(zhǔn)菌株，在不同生長(zhǎng)階段（指數(shù)期/穩(wěn)定期）及多種脅迫條件下培養(yǎng)取樣。
全局RNA修飾發(fā)現(xiàn)揭示藍(lán)藻特有修飾模式
質(zhì)譜分析顯示藍(lán)藻RNA修飾譜顯著區(qū)別于真核生物：尿苷修飾（m5U和ψ）占比超2%，而真核生物中豐富的m6A修飾僅占0.005%。21種修飾在高溫、強(qiáng)光等脅迫下呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，提示其參與環(huán)境適應(yīng)調(diào)控。
m5C甲基化組展現(xiàn)位點(diǎn)特異性
亞硫酸氫鹽測(cè)序鑒定到的m5C位點(diǎn)中，多修飾基因呈現(xiàn)功能聚集現(xiàn)象。序列motif分析發(fā)現(xiàn)G富集區(qū)域（-4至+7位點(diǎn)）的獨(dú)特模式，暗示藍(lán)藻可能存在特異的m5C識(shí)別機(jī)制。
功能富集指向核心生物學(xué)過(guò)程
m5C修飾基因顯著富集于核糖體生物合成、RNA降解、碳代謝和光合作用通路。蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)分析揭示，含17個(gè)m5C位點(diǎn)的多核苷酸磷酸化酶基因與核糖體蛋白形成緊密互作模塊。
多組學(xué)整合揭示翻譯抑制新機(jī)制
轉(zhuǎn)錄組-蛋白質(zhì)組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，m5C修飾基因的蛋白質(zhì)/RNA比值顯著低于未修飾基因，表明m5C可能通過(guò)阻礙核糖體進(jìn)程抑制翻譯效率。這種調(diào)控效應(yīng)在穩(wěn)定期尤為顯著，體現(xiàn)了生長(zhǎng)階段依賴(lài)性。
該研究首次系統(tǒng)闡釋了藍(lán)藻RNA修飾的調(diào)控規(guī)律，建立的原核生物m5C研究范式可推廣至其他測(cè)序微生物。發(fā)現(xiàn)m5C通過(guò)調(diào)控光合作用相關(guān)基因表達(dá)影響能量代謝，為理解光合生物環(huán)境適應(yīng)性提供了新視角。研究揭示的翻譯抑制機(jī)制顛覆了真核生物中m5C促進(jìn)翻譯的經(jīng)典認(rèn)知，暗示原核生物可能演化出獨(dú)特的RNA修飾解碼系統(tǒng)。這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作不僅填補(bǔ)了原核生物表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)空白，更為合成生物學(xué)改造光合效率提供了新靶標(biāo)。
