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#NEWS 醣基化 RNA:聚醣家族的新成員

轉錄後修飾(post-translational modification, PTM)是型塑生命多樣性重要的一步,其中的醣基化修飾(glycosylation)也是近年備受矚目的研究領域。這些聚醣分子參與了許多重要的細胞功能,從細胞內的折疊、運輸、分泌與膜呈現,到細胞間的抗原辨識等,都可見到它們的身影 [1]。隨著近年來對醣基化修飾的了解,科學家們已發展出多種醣分子合成、標定、分離的方法,這些研究也推動了醣分子相關藥物及疫苗的發展 [2]。過去醣基化相關研究大多僅限於蛋白質和脂質的修飾,其中醣基化可協助蛋白正確摺疊並影響免疫辨識,而醣基化的脂質則可維持膜的穩定性並參與細胞識別。然而在這篇於去年正式發表於 Cell 期刊的文章中,首次揭露了細胞膜上醣基化 RNA 的存在,並且可能與免疫系統有關。

延伸閱讀|7 月份月底結尾文 – Glycobiology

研究的源起是來自作者研究蛋白質醣基化路徑時意外發現其中一個關鍵酵素具有 RNA 結合域,因此大膽推論:如果醣基化酵素具有結合 RNA 的能力,那麼它也可能將糖連接到 RNA 上。

為了證實這個想法,該團隊使用疊氮標記的唾液酸(sialic acid)前驅物N-疊氮乙酰甘露糖胺(Ac4ManNAz)進行標記,細胞中萃取出 RNA 後以點擊化學(click-chemistry)與生物素鍵結 [3],再以染料標記的鏈親和素(streptavidin)染色後 [4],進行凝膠電泳。除了在 HeLa 細胞中發現醣基化 RNA,經由同樣的方法,該團隊也在其他人類及小鼠的免疫及幹細胞株,以及小鼠的肝臟和脾臟中觀察到醣基化 RNA 的蹤跡,並且可被核糖核酸酶(RNase)分解,因此推斷是 RNA(圖一)。

圖一、(A)醣基化 RNA 萃取及標記流程示意圖(B)由膠圖可知 HeLa 細胞中存在醣基化 RNA(C)醣基化 RNA 可被 RNase 分解(D)由小鼠肝臟及脾臟分離的RNA膠圖同樣觀察到醣基化 RNA。(圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.023

為了進一步確認有哪些 RNA 被醣基化,該團隊分析了 HeLa 及 H9 細胞中所分離出的各種短小   RNA(<200 nt),並比較其中各醣基化 RNA 的富集(enrichment)程度,發現兩者間富集的 RNA 大致呈正相關,主要有 Y-RNA [5]、小核 RNA(snRNA)、核糖體 RNA(rRNA), 小核仁 RNA(snoRNAs)[6]、轉運 RNA(tRNA)等幾種。其中的 Y5 RNA [7] 是他們特別有興趣的目標,因為該 RNA 家族已知與全身性紅斑性狼瘡(圖二)(systemic lupus erythematosus, SLE)等自體免疫疾病有關。

圖二、醣基化 RNA 在 HeLa 及 H9 細胞中的富集程度,顏色越紅表示在 H9 細胞中越多、圓點越大表示在 HeLa 細胞中越多(圖中 Us, SNORDs, SCARNA 等皆為snoRNA)。(圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.023

在同樣是長鏈聚合的蛋白質上,最常見的醣基化修飾是在天冬酰胺(asparagine)側鏈氨基連接的N-聚醣以及使用絲氨酸(serine)或蘇氨酸(threonine)側鏈羥基連接的 O-聚醣兩種,其中 N-聚醣的分支結構又可分為甘露糖(mannose)為主、具有多種醣類的複雜型(complex type)、以及以上兩種的混合型(hybrid type)等三種。為了了解醣化RNA上聚醣的結構,研究團隊經由一系列化學標記、基因缺陷、酵素與小分子抑制劑等方法驗證後,作者最終確認這些醣基化 RNA 是被末端具有唾液酸的複合型N-聚醣修飾。並且經由質譜分析不同細胞醣基化 RNA 的聚醣組成後,發現不同細胞間的醣基化 RNA 聚醣組成略有不同,且與蛋白質上常見的聚醣修飾也有差異。

最後,該團隊分析了醣基化 RNA 在細胞中的分布。首先,團隊將細胞核及細胞質與帶膜胞器分離,確認醣基化 RNA 分布在細胞膜而非細胞核或細胞質中。為了進一步確認這些 RNA 在細胞膜內外側的分布,團隊使用唾液酸酶處理後,大幅減少了 HeLa  細胞表面唾液酸前驅物 Ac4ManNAz  的標記量(50% 以上),表示有相當高比例的醣基化 RNA 位於細胞膜外側。由於細胞表面的生物分子經常參與細胞間的辨識,因此作者認為醣基化 RNA 可能也具有類似的功能。進一步在 HeLa 細胞中測試,發現醣基化 RNA 可與針對雙股 RNA 的 J2 抗體反應,且能與針對唾液酸聚醣結構的 Siglec 受體(sialic acid-binding immunoglobulin-type of lectin-type receptor) 作用(圖三),因此推斷醣基化 RNA 具有雙股 RNA 結構且可能與紅斑性狼瘡等自體免疫疾病有關 [8][9](註)。背後其免疫作用機制雖目前尚未能完全瞭解,但也看得出醣化RNA具有不少進一步研究空間。

註:先前研究指出Siglec 受體與紅斑性狼瘡有關,請進一步參考 [8][9]

圖三、醣基化 RNA可被抗雙股 RNA 的抗體及 Siglec 受體辨識。(圖片來源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.025

總結來說,醣基化修飾是拓展生命多樣性重要的一步,也是細胞辨識中關鍵的一環。隨著新的研究為醣基化大家族引進了 RNA 這位新成員,也不禁令人好奇醣基化修飾對 RNA 這個古老的分子究竟有什麼影響,又是否有作為藥物開發靶點的可能性呢?讓我們一起期待未來的研究進展,或者一起投入進來吧!

Main Article:

Flynn, R. A., Pedram, K., Malaker, S. A., Batista, P. J., Smith, B., Johnson, A. G., George, B. M., Majzoub, K., Villalta, P. W., Carette, J. E., & Bertozzi, C. R. (2021). Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells. Cell, 184(12), 3109–3124.e22. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.023

參考文獻:

  1. Reily, C., Stewart, T. J., Renfrow, M. B., & Novak, J. (2019). Glycosylation in health and disease. Nature reviews. Nephrology, 15(6), 346–366. https://doi.org/10.1038/s41581-019-0129-4
  2. Dalziel, M., Crispin, M., Scanlan, C. N., Zitzmann, N., & Dwek, R. A. (2014). Emerging principles for the therapeutic exploitation of glycosylation. Science (New York, N.Y.), 343(6166), 1235681. https://doi.org/10.1126/science.1235681
  3. Baskin, J. M., Prescher, J. A., Laughlin, S. T., Agard, N. J., Chang, P. V., Miller, I. A., Lo, A., Codelli, J. A., & Bertozzi, C. R. (2007). Copper-free click chemistry for dynamic in vivo imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104(43), 16793–16797. https://doi.org/10.1073/pnas.0707090104
  4. Weber, P. C., Ohlendorf, D. H., Wendoloski, J. J., & Salemme, F. R. (1989). Structural origins of high-affinity biotin binding to streptavidin. Science (New York, N.Y.), 243(4887), 85–88. https://doi.org/10.1126/science.2911722
  5. Hall, A. E., Turnbull, C., & Dalmay, T. (2013). Y RNAs: recent developments. Biomolecular concepts, 4(2), 103–110. https://doi.org/10.1515/bmc-2012-0050
  6. Bratkovič, T., & Rogelj, B. (2014). The many faces of small nucleolar RNAs. Biochimica et biophysica acta, 1839(6), 438–443. https://doi.org/10.1016/j.bbagrm.2014.04.009
  7. Boccitto, M., & Wolin, S. L. (2019). Ro60 and Y RNAs: structure, functions, and roles in autoimmunity. Critical reviews in biochemistry and molecular biology, 54(2), 133–152. https://doi.org/10.1080/10409238.2019.1608902
  8. Wang, X., & Xia, Y. (2019). Anti-double Stranded DNA Antibodies: Origin, Pathogenicity, and Targeted Therapies. Frontiers in immunology, 10, 1667. https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.01667
  9. Thornhill, S. I., Mak, A., Lee, B., Lee, H. Y., Poidinger, M., Connolly, J. E., & Fairhurst, A. M. (2017). Monocyte Siglec-14 expression is upregulated in patients with systemic lupus erythematosus and correlates with lupus disease activity. Rheumatology (Oxford, England), 56(6), 1025–1030. https://doi.org/10.1093/rheumatology/kew498

關鍵字:醣基化glycosylationRNA

撰文|葉國掄
審稿|蕭毅

About the author

葉 國掄

葉 國掄

熱愛拉麵與科學的陽明交大藥學系學生,先後打滾於iGEM、奈米劑型、天然物的實驗室,仍在尋找研究主題的路上。希望能在investigator與大家互相分享新知!

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