Angew. Chem. :亚乙烯基型RNA损伤的非酶依赖型化学修复

  • A+


RNA损伤是指RNA分子受到内外源性因素(如氧化、烷基化、紫外线或化学毒素)的作用,发生的化学或物理改变。这些损伤会破坏RNA的结构和功能,从而影响基因表达和细胞稳态。传统观点认为,RNA损伤可通过RNA降解后重新转录和修饰来解决。然而,这种方式能量需求高且耗时,难以快速应对损伤对细胞功能的即时威胁。因此,细胞或机体需要发展专门的RNA修复机制,以直接修复受损RNA,维持其正常功能。由于RNA损伤类型多样,细胞可能拥有针对不同损伤的特异修复机制。然而,与DNA损伤修复和蛋白质损伤修复相比,RNA损伤的修复研究仍显匮乏。目前,仅在细菌中发现了RNA修复酶hABH3、AlkB,以及Pnkp和Hen1等,其中hABH3可选择性修复单链RNA中的甲基化损伤(如m¹A和ms²C)。但对于结构更为复杂的RNA损伤,目前尚缺乏深入研究和有效修复策略。



1

亚乙烯基型RNA损伤(如εA、εC和εG)是一类特殊的RNA化学损伤,通常由内外源性因素诱发。其主要来源包括环境污染物(如烷基化剂和工业化学品)、代谢产生的反应性化合物(如乙醛和马来醛),以及某些化疗药物(如顺铂和环磷酰胺)的副作用。这类损伤会在RNA碱基上引入亚乙烯基基团,导致显著的空间位阻,严重干扰RNA的结构与功能,如破坏其稳定性、翻译效率及分子相互作用。目前研究表明,εN型RNA损伤在细胞中具有较高发生率,并可能与癌症、神经退行性疾病和炎症等多种病理过程相关。然而,与烷基化和氧化损伤相比,亚乙烯基型损伤的研究仍处于初期,尤其在其生物学影响和代谢路径方面。

为探索亚乙烯基型RNA损伤的修复机制及其在健康与疾病中的作用,中国科学院化学研究所的程靓研究员与德国美茵茨约翰内斯·古腾堡大学(Johannes Gutenberg-Universität Mainz)的Mark Helm教授合作,设计并合成了新型核黄素类小分子PS9。利用该分子,该研究团队首次通过非酶依赖的直接化学修复,首次成功修复了亚乙烯基型RNA损伤,并在大肠杆菌中实现了对由烷基化剂引起的εA损伤的选择性干预。这一突破为RNA复杂损伤的修复研究提供了新思路,也为相关疾病的治疗开辟了潜在途径。

2

研究团队针对亚乙烯基型RNA损伤的化学结构,创新性地提出利用光促进的Paternò–Büchi反应作为修复亚乙烯基型损伤的新型生物正交化学策略。在小分子修复剂PS9的作用下,εN损伤中的咪唑环双键与单线态氧反应,生成氧杂环丁烷中间体I。由于该中间体具有较大的空间位阻,其后发生重排,生成双酰基中间体II。中间体II进一步经历氧化反应(III/IV)和歧化反应,最终生成羧基中间体V和VI。随后,这些中间体分别通过脱羧反应释放出修复产物腺苷(A)和N6-甲酰基腺苷(f6A)。

值得注意的是,研究团队进一步通过使用同位素标记的氧气(18O2)进行实验,明确验证了氧杂环丁烷中间体的生成过程,并确认f6A中的氧原子来源于氧气,而非反应介质中的水。这一证据进一步支持了PS9介导的修复路径的独特性。研究结果表明,该修复机制不同于传统的AlkB蛋白修复DNA中εdN损伤的酶促机制,为开发针对RNA复杂损伤的修复方法提供了全新思路。

3

在此基础上,作者进一步验证了PS9介导的修复策略对其他亚乙烯基型RNA损伤及常见RNA表观修饰的特异性和正交性。研究结果表明,PS9不仅能够有效修复εC、7-甲基εC及DNA中的相应损伤,而且对εG和常见RNA表观修饰(如m⁶A)及其他氨基酸残基不产生影响,展现出极高的生物相容性和化学选择性。

此外,作者进一步探索了这一化学修复策略在活体水平(大肠杆菌)中对内源性亚乙烯基损伤的干预效果。实验表明,在大肠杆菌中,PS9能够高效修复由氯乙醛(CAA)胁迫引起的εA损伤,而对其他损伤(如εC、εG)以及RNA修饰则没有影响。这一发现不仅表明PS9是一种高度特异的化学工具,可精准识别和干预由εA损伤引发的病理过程,还为开发分别针对εC和εG损伤的化学修复工具提供了重要启示。未来,这类工具可用于研究不同亚乙烯基型损伤的独特生物学效应和代谢机制,为解析RNA损伤在细胞功能及疾病中的作用奠定基础。

6

综上所述,研究团队创新性地开发了基于光促进的Paternò–Büchi反应的化学修复策略,利用小分子PS9成功实现了对亚乙烯基型RNA损伤(如εA、εC等)的非酶依赖化学修复。这一策略展现了高度的化学选择性和生物相容性,能够有效修复特定损伤而不影响常见的RNA表观修饰和其他分子基团。特别是在活体实验中,PS9对氯乙醛胁迫引起的εA损伤具有显著的修复效果,为精准研究由εA损伤引发的病理过程提供了有力工具。与此同时,该策略的成功验证也为开发修复其他复杂RNA损伤(如εC和εG)的化学工具提供了重要的技术平台。这项研究不仅拓展了RNA损伤修复的理论框架,还为RNA损伤的生物学功能解析及相关疾病的治疗开辟了新的方向。

文信息

A Direct Chemical Repair of Etheno-Type RNA Damages

Yin-Ming He, Alicia Burkard, Dr. Chuan-Shuo Wu, Dr. Xiao-Yang Jin, Prof. Li Liu, Prof. Mark Helm, Prof. Liang Cheng


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202415417




weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: