人RNA: m5C甲基转移酶NSun6的修饰机制及生物学功能研究

Study of dynamic cellular RNA modifications represents an emerging research frontier in biology and medicine. RNA:m5C methylation is a common chemical modification widely happened in cellular RNAs. NSun methyltransferase family is the main RNA m5C modification enzymes in eukaryotes, which is composed of seven members. The genetic mutations of several NSun family members have been reported to be closely involved in many human diseases such as intellectual disability, male infertility and cancers. Due to lack of structural information, the RNA recognition mode and RNA:m5C modification mechanism of NSuns remain unclear for a long time. Meanwhile, the biological functions of RNA:m5C modification remained to be explored. In 2015, human NSun6 was identified as the methyltransferase catalyzing the m5C72 modification at the amino acid acceptor of many tRNAs. We subsequently reported the tRNA recognition elements by NSun6 and reveal that NSun6 is a tRNA specific methyltransferse. In this proposal, we plan to study the catalytic mechanism and RNA recognition mode of NSun6 by biochemical and structural studies. In the meantime, the biological function of NSun6 and the RNA:m5C modification it introduced will also be investigated through cell biological methods.

细胞内RNA的动态甲基化修饰研究正在成为生物学和医学领域研究热点之一。RNA: m5C是一种广泛存在的RNA修饰。NSun甲基化酶家族是真核生物中主要的RNA:m5C修饰酶，由七个成员组成，其中多个成员的基因突变被发现与智力障碍、男性不育及癌症等人类疾病密切相关。然而，由于缺乏三级结构信息，NSun家族成员的RNA底物识别机制以及RNA:m5C的催化机制均不清楚。与此同时，RNA: m5C的生物学功能也有待阐明。人NSun6于2015年被鉴定出来的，是催化tRNA氨基酸接受茎上第72位m5C修饰的甲基化酶。随后，我们鉴定出tRNA被NSun6识别的元件，并揭示了NSun6是tRNA专一性的修饰酶。本项目拟通过生物化学和结构生物学等方法去阐明NSun6的催化机制及识别tRNA的方式;同时用细胞生物学手段对NSun6及其催化的tRNA:m5C 修饰的生物学功能进行初步探索。

截止目前，已完成项目预定研究计划。转移核糖核酸（transfer RNA, tRNA）是细胞中参与蛋白质合成的重要分子之一。tRNA上的核苷酸存在广泛的化学修饰，这些修饰对于稳定tRNA的三级结构以及发挥细胞内tRNA功能起着重要作用，并与人类疾病息息相关。而m5C是一种广泛存在的RNA修饰。NSun甲基化酶家族是真核生物中主要的RNA:m5C修饰酶，由七个成员组成，其中多个成员的基因突变被发现与智力障碍、男性不育及癌症等人类疾病密切相关。人NSun6于2015年被鉴定出来的，是催化tRNA氨基酸接受茎上第72位m5C修饰的甲基化酶。随后，我们鉴定出tRNA被NSun6识别的元件，并揭示了NSun6识别tRNA的三级结构。本项目通过生物化学、结构生物学、细胞生物学等研究方法阐明了NSun6的催化机制、识别tRNA的方式并对其生物学功能进行了探索。我们解析了首个RNA:m5C修饰酶与RNA底物的共晶结构：人NSun6和tRNA底物的共晶结构，精细地阐明了人NSun6的催化机理和底物识别机制。我们还解析了古细菌NSun6的晶体结构，并发现其具有比人NSun6更广泛的tRNA底物，并发现古细菌中tRNA第72位的m5C修饰可以略微提高相应tRNA的热稳定性，但不影响相应tRNA的氨基酸接受能力。以上研究为揭示NSun家族成员的催化机理和生物学功能提供了分子基础。并且，我们还对人NSun6对tRNA修饰以及其他RNA修饰的功能展开了一些探索，发现哺乳动物NSun6可以调控多个其他tRNA修饰酶的表达水平。因此，我们还对这些相关的tRNA修饰酶的功能机制开展了研究工作，并发现多个tRNA修饰酶能精确调控细胞内蛋白质合成以及除调控蛋白质合成以外的其他功能。以上研究结果以通讯作者发表标注资助SCI研究论文6篇（4篇NAR、1篇EMBO J、1篇EMBO R等），并受邀发表综述论文2篇；并在国际知名数据库PDB上共享了6个生物大分子的三级结构信息。培养博士研究生6名，3人已获得博士学位；培养中青年学术带头人1名，获国家优秀青年科学基金项目资助。8人次获得各类学术奖项。国内外合作方面，出/来访合作研究和做学术报告4人次。在国内外学术会议上报告7次。