地球生物体中的核糖核酸（RNA）由4种天然核苷（A、U、C和G）和多达150余种化学结构特异的非天然核苷（如D，Ψ，I，m6A，t6A等）组成，这些非天然核苷被称为RNA转录后修饰或表观修饰，在生物学体系中发挥重要调控功能。其中，绝大部分非天然核苷存在于转运核糖核酸（tRNA）中，对其三维结构和解码功能起基础性作用。普遍存在于几乎所有细胞生命体系中的苏氨酰氨基甲酰基腺苷（N6-threonylcarbamoyladenosine，简称t6A）是位于负责解码ANN（N是A、U、C或G）密码子的tRNA上第37位的一个必要转录后修饰，对调控翻译效率和细胞内蛋白质稳态平衡起重要作用。不同生物系统中tRNA t6A的生物合成由TsaC/Sua5蛋白质家族成员和TsaD/Kae1/Qri7蛋白质家族成员及其它调控蛋白质经两步连续化学反应共同完成。在一些生物体中，tRNA t6A可进一步被转化为ct6A，ms2t6A，ms2ct6A，m6t6A和ht6A多重衍生修饰，在细胞生命中发挥更为精细化的调控功能。然而，不同生物系统中tRNA t6A和ct6A修饰酶的组成和分子调控机制具有保守性和多样性的鲜明特点，其分子进化机制和调控机理尚不清楚。
图. 三界生物系统中tRNA t6A修饰酶的组成及生物合成过程中酶促反应途径
近日，兰州大学生命科学学院张文华课题组和物理科学与技术学院、电镜中心雷东升教授课题组在国际期刊Nucleic Acids Research（影响因子：14.9）发表题为“Structure–function analysis of an ancient TsaD–TsaC–SUA5–TcdA modular enzyme reveals a prototype of tRNA t6A and ct6A synthetases”的研究论文。该项研究通过比较基因组学、分子生物学、结构酶学和生物物理学技术手段发现潘多拉病毒（Pandoraviruses）基因组编码一个由TsaD结构域、TsaC结构域、SUA5结构域和TcdA结构域组成的融合蛋白质，并将其命名为TsaN。该研究表明TsaN具有催化L-threonine, HCO3-/CO2和ATP生成Threonylcarbamoyladenylate（TC-AMP）的酶学功能，但其并不能进一步利用TC-AMP催化tRNA t6A的生物合成。该研究进一步发现TsaN催化TC-基团由TC-AMP转移至ADP和ATP的N6原子上，形成t6ADP和t6ATP。不仅如此，TsaN催化t6A单核苷形成cyclic t6A（ct6A），此过程不依赖于tRNA，但是需偶联一个ATP转换为AMP和PPi的水解过程。该研究报道发生在单核苷酸或单核苷水平的RNA修饰类型，拓展了学界对于保守RNA修饰酶的起源和分子进化的认识。
图. 潘多拉病毒中TsaN蛋白质的三维结构与多功能酶催化活性
中国科学院分子细胞研究卓越创新中心王恩多院士评价道：“生物系统进化出以TsaC/Sua5–TsaD/Kae1/Qri7为核心的分子机器负责细胞内tRNA的 t6A修饰，以应对不同生物复杂度对于其生物合成精确调控的需求。该项研究在非细胞生命体基因组中发现一个TsaD–TsaC–SUA5–TcdA多结构域蛋白质，并将其命名为TsaN。尽管TsaN的四个结构域与tRNA t6A和ct6A修饰酶具有结构相似性和功能相关性，但是它并不具有tRNA的t6A修饰功能。该项研究发现TsaN不依赖于tRNA也可以生物合成TC-AMP，t6ATP/t6ADP及ct6A单核苷酸和核苷。重要的是，该研究发现t6ATP/t6ADP的天然存在，且TsaN均可在生化反应体系中和细胞体系中催化t6ATP/t6ADP的生物合成。该项研究成果对于非天然核苷酸在生命起源、细胞信号转导、tRNA修饰及病毒基因组学领域的研究具有重要意义。”
中山大学生命科学学院屈良鹄教授评价道：“这是一篇非常有趣的研究论文，该项工作从潘多拉病毒中鉴定了一种 TsaD–TsaC–SUA5–TcdA模式蛋白（TsaN），发现TsaN 催化单核苷酸水平的苏氨酰氨基甲酰修饰，揭示了tRNA t6A 和ct6A修饰酶的原型及其结构与功能，具有重要科学意义，这项工作提出细胞生物中tRNA t6A 修饰酶的产生以及与病毒基因组中TsaN 蛋白的关系，从分子进化角度揭示了 tRNA 修饰酶普遍而古老的起源。这些结果代表了我国在RNA表观遗传调控领域中的一个突破，对该前沿领域将产生重要影响。”
张文华教授近10年来聚焦研究核糖核酸转录后修饰的分子机制和细胞作用。该项研究主要内容由硕士研究生靳梦琪和张泽林负责完成，兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室王晓磊教授对该项工作做出了重要贡献，法国巴黎萨克雷大学Herman van Tilbeurgh教授、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心周金秋研究员、广州实验室商锦赛研究员及加拿大多伦多大学Frank Sicheri教授为该项工作提供了材料和实验支持。此项工作得到了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金和兰州大学中央高校基本科研业务费等经费的支持。
论文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkad587/7222088?searchresult=1