水稻中RNA的NAD修饰及其降解关键酶的鉴定

Modifications on mRNA exert significant influence on its function. m7G cap represent a modification at 5′ terminus of mRNA and play a vital role in mRNA splicing, translocation, translation initiation, as well as protecting it from degradation. Recently, NAD was found covalently linked to 5′ terminus of mRNA in bacteria and yeast in a manner resembling that of m7G. The NAD modification only reside on certain kinds of RNA and its function remains to be elucidated. The findings that abundance of specified NAD capped RNA changed accompany nutrient variation imply the addition of NAD to RNA could be a linkage between cellular metabolism and RNA modification. Considering the multifunction of NAD and its interaction with many enzyme, NAD capped RNA may play unknown function in various pathway. However, the limited information of NAD-RNA distribution and the category of modified RNA prevent us from unravelling the function of the NAD modification on mRNA. We here sought to verify the existence of NAD capped RNA in Oryza sativa and confirm their sequence, as well as exploring the enzyme involved in metabolism of NAD capped RNA. Our findings will pave the way to better understanding the function of NAD and other chemical modification at 5′ terminus of mRNA.

mRNA上存在多种修饰，对其功能影响巨大。m7G是真核生物mRNA的5′端普遍存在的一种修饰，在mRNA的保护、转运、剪接和翻译的起始等生物学过程中起着关键的作用。近期，在细菌和酵母mRNA的5′端发现了一类新的NAD修饰，其结构和与RNA连接的方式与m7G非常相似。与m7G的广泛存在不同，NAD修饰只存在特定mRNA的5′端。酵母与细菌中NAD修饰RNA种类差异较大，且随不同生长环境而变化，暗示RNA的NAD修饰是对环境的一种响应，具有特定的生物学功能。目前，对RNA上NAD修饰的研究非常有限，其在自然界分布和功能均不清楚。申请者之前的研究结果支持高等植物水稻中存在NAD-RNA的推论，因此本申请拟探索水稻中NAD修饰RNA的存在、鉴定被NAD修饰RNA的种类和验证参与其降解过程的酶。本工作开展为探索RNA新的5′端修饰功能打下了坚实基础，对RNA修饰研究领域是一项重要的延伸和开拓。

RNA作为重要的生物大分子之一，在生命活动中扮演极为重要的角色。RNA种类繁多，包含众多非编码RNA存在多达百种化学修饰。近期研究发现，细菌RNA的5′端存在着NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和dpCoA（辅酶A）等修饰，紧接着被NAD修饰RNA的种类也被鉴定。NAD的修饰能够增强RNA稳定性，抵抗核酸内切酶的水解，而Nudix水解酶家族成员 NudC能够去除RNA的此种NAD修饰。由此引申出了几个重要的生物学问题：真核生物体内是否存在mRNA的NAD修饰及去修饰的酶？如果是，那此种NAD修饰的功能是什么，去修饰酶又是如何调节其代谢的？NAD修饰对RNA功能的影响可能与原核生物中类似，保护被修饰的RNA抵抗核酸酶的降解；考虑到真核生物中mRNA的5′端修饰对于其功能重要性，NAD必然不仅局限于其保护作用，而且很可能参与了其他生物学过程。.本项目以水稻为研究材料，利用生物化学、质谱分析、RNA 测序和分子生物学等研究方法，研究水稻内NAD修饰RNA的存在、NAD修饰RNA种类的分布以及参与对NAD修饰RNA调控蛋白的鉴定和功能研究。项目执行过程中，紧密围绕研究计划开展，进行了申请书中撰写的所有相关内容研究，并进行了一些扩展，包括.1）检测水稻中是否存在NAD修饰的RNA；.2）水稻中NAD修饰RNA的种类的鉴定；.3）水稻中Nudt19蛋白是否参与NAD修饰RNA的代谢；.4）nudt19基因缺失对水稻生长表型和生理代谢的影响；.5）DapF调控RppH切割RNA 5′端磷酸基团的分子机制；.6）解析RNA 5′端新型修饰dpCoA代谢的分子机制.研究结果表明，水稻中存在NAD修饰的RNA，种类分布不具有明显倾向，Nudt19在体外具有切割NAD修饰RNA功能，但是基因敲除后并不显著影响体内NAD修饰RNA的丰度和分布，植物也未见明显表型。由于本项目探索性较强，取得的结果有些与预期相符，有些与预测不符，数据正在整理，实验仍在继续，直接相关成果尚未发表。此外，在本项目的支持下，扩展了部分研究内容，围绕 “参与RNA修饰与代谢酶的结构与功能”开展研究，取得了一定研究成果。