Nature Plants | 申莉莎團隊系統論述mRNA上非m6A修飾在植物中的研究進展

在已知的170多種不同的RNA修飾中，N6-甲基腺苷（m6A）是最普遍的mRNA內部修飾，也是研究最為深入的修飾。然而，越來越多的證據表明mRNA上存在的其他修飾——包括5-甲基胞嘧啶（m5C）、N4-乙酰胞嘧啶（ac4C）、假尿嘧啶（Ψ）、N1-甲基腺苷（m1A）、N7-甲基鳥苷（m7G）和2′-O-甲基化（2′O-Nm），在決定mRNA命運方面也發揮著關鍵的作用。

近日，新加坡淡馬錫生命科學院申莉莎課題組在Nature Plants在線發表題為Emerging roles of non-m6A mRNA modifications in plants的綜述論文，本綜述重點介紹了m5C、ac4C和Ψ等非m6A修飾在植物mRNA中的新興作用，概述了它們對mRNA代謝、植株發育和應激適應的影響，并系統總結了檢測方法的研究進展及探討該領域未來可能的研究方向。

首先，本文系統梳理了在轉錄組水平上繪制非m6A mRNA修飾圖譜的主要研究方法。這些方法大體可分為兩類：基于抗體富集的策略和基于化學轉化或保護的策略。前者通過特異性抗體富集修飾RNA，并結合新一代測序技術，實現約100–200 nt分辨率的檢測，進一步結合交聯或逆轉錄標記技術，可將分辨率提升至單核苷酸水平。后者則是利用修飾核苷酸的化學特性來實現單堿基精度定位，并在某些情況下可估算該修飾的化學計量比。與此同時，納米孔直接RNA測序（DRS）作為一種新興技術，無需依賴抗體富集或化學處理，即可實現對RNA修飾的直接檢測，尤其在m6A修飾檢測中展現出良好的應用，亦有部分研究報道DRS應用于非m6A修飾的檢測中。然而，由于植物mRNA中非m6A修飾豐度普遍較低，實際研究中往往需要結合多種測序策略，因此，持續開發更高精度和靈敏度的檢測技術仍是該領域的重要研究方向。

圖1 已知的植物mRNA內部修飾

進一步，文章從分布特征（圖1），“寫入-擦除-識別”機制（圖1）和生物學功能（圖2）三個方面重點闡述了m5C，ac4C和Ψ修飾在植物中的發現。

m5C修飾廣泛存在于擬南芥、苜蓿、水稻、玉米、谷子中，其總體水平在0.02%–0.08%，且m5C修飾似乎在不同組織中以及在應激反應中受到動態調控。研究表明， m5C富集于可移動mRNA并促進其跨組織運輸，這一過程依賴TRM4B/DNMT2等甲基轉移酶及RNA結合蛋白（如ALY2和ALY4）。m5C可通過提高mRNA穩定性和調控翻譯影響植物生長發育與環境適應性。在擬南芥中，TRM4B介導的m5C修飾通過穩定靶基因，促進根生長。在水稻中，熱脅迫下OsNSUN2介導的m5C修飾促進參與光合作用和解毒系統的靶標的mRNA 翻譯，進而增強水稻對熱脅迫的適應能力（圖2a）。

最近才在植物mRNA中被發現的ac4C修飾是目前已知的mRNA上唯一的乙?；揎?，它在mRNA剪接、穩定性和翻譯效率中發揮關鍵的調控作用，進而影響植株發育和應激適應性。在擬南芥中，NAT10s介導的mRNA ac4C修飾特異性調控FLOWERING LOCUS M (FLM)的可變剪接直接控制低溫環境下植物的開花時間。同時，ac4C修飾還通過增強TOUGH (TGH)轉錄本穩定性促進microRNA生成，從而調控葉片生長。ac4C修飾轉錄本在擬南芥和水稻中均表現出更高的翻譯活性，表明其促進mRNA翻譯效率。在水稻中，病原菌侵染時，OsNAT10通過提高茉莉酸（JA）生物合成酶OsACO以及JA生物合成通路上游的OsERF77轉錄本上的ac4C修飾水平，增強其翻譯，進而促進JA生物合成提高抗病性。此外，ac4C可同時調控同一轉錄本的穩定性和翻譯效率，如OsNAT10介導的修飾通過增強OsLIR1和OsLFNR的穩定性與翻譯水平，提高水稻光合作用（圖2c）。值得注意的是，ac4C修飾在多種植物物種（如擬南芥、水稻、大豆、番茄、草莓和菊花）的光合作用相關轉錄本中普遍存在，并在光捕獲系統和葉綠體發育相關轉錄本中顯著富集，提示其在光合作用中的調控作用具有進化保守性。

圖2 植物中以胞嘧啶為靶點的mRNA修飾的機制與功能

Ψ由尿苷異構化形成，通過改變糖苷鍵連接方式增強RNA結構穩定性，其在mRNA中的豐度高于m5C和ac4C。Ψ的形成主要依賴PUS家族酶。在植物中，雖已鑒定出較多PUS基因且部分突變體影響發育和抗逆性，mRNA Ψ修飾的分布和功能尚處于起步階段。BID-seq揭示了多種植物中mRNA Ψ修飾的轉錄組分布，其在CDS區域富集但位點保守性較低，且具有物種特異性序列偏好，如CΨC或GΨG（圖1a）。生物學功能上，Ψ與mRNA穩定性負相關、與翻譯效率正相關（尤其在5′UTR），表明其在植物轉錄后調控中具有重要作用。未來，通過整合高分辨率圖譜技術并結合轉錄組學與蛋白質組學分析，深入解析單個PUS酶及其依賴的Ψ修飾在植物mRNA代謝、發育及環境適應中的功能與調控機制，將具有重要意義。

除已廣泛研究的m5C、ac4C和Ψ修飾外，植物mRNA中還檢測到m1A、m7G及2′O-Nm等修飾。已有證據表明m1A在CDS區域富集，并可能由TRMT61-TRMT61A作為“writer”蛋白復合體催化參與發育調控。水稻中的研究表明mRNA內部m7G修飾在5′UTR區域顯著富集，且在病原脅迫下發生動態變化，提示其可能參與生物脅迫響應。此外，盡管哺乳動物研究表明2′O-Nm修飾可增強RNA穩定性并調控RNA–蛋白相互作用，但其在植物中的研究尚處于起步階段，近期僅在水稻中發現其富集于起始密碼子后及3′UTR區域（圖1）?？傮w而言，這些修飾在mRNA中的作用機制及其相關調控因子仍有待系統解析。

最后，文章對植物中非m6A RNA修飾未來的研究方向進行展望。受限于檢測技術以及相關writers、readers和erasers蛋白鑒定不足，植物中非m6A RNA修飾在分布、動態變化及調控機制方面的認知仍較為有限。未來需結合單堿基分辨率測序和納米孔DRS等新技術，系統解析這些修飾在mRNA代謝及環境適應性中的作用機制，并進一步探索其在提升作物產量與抗逆性中的應用潛力。

申莉莎研究員為該論文的通訊作者，課題組博士后滕珍鋒為第一作者。該研究得到了新加坡國立研究基金會和淡馬錫生命科學研究院的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02284-x