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新热点|先“发”制人！RNA O8G修饰正在风口上

作者：上海云序生物科技有限公司 2023-02-22T13:26 (访问量:3413)

8-氧鸟嘌呤是一种氧化修饰，*初在DNA中进行氧化应激相关致*分子表征时发现，目前，它已被**用作活性氧（ROS）生物标志物。ROS包括羟基自由基、超氧化物和过氧化氢（过氧化氢），作为有氧代谢（如线粒体中的细胞呼吸）的副产物不断产生。ROS的浓度必须保持平衡，以维持一个正常的氧化还原状态，从而受到抗氧化途径的积极控制。在氧化修饰中，核酸鸟嘌呤容易形成8-氧鸟嘌呤（8-oxo-7,8-二氢鸟嘌呤）。8-氧鸟嘌呤可以直接在DNA（8-oxo-dG）和RNA（O⁸G）水平产生，也可以在自由核苷酸水平（8-oxo-dGTP或O8GTP）产生，可以通过DNA复制或RNA转录合并。暴露于氧化应激时，RNA中的鸟嘌呤比DNA中的鸟嘌呤更容易产生O8G。目前关于8-氧鸟嘌呤的表观遗传和表位作用的研究越来越多。

文章链接：8-Oxoguanine: from oxidative damage to epigenetic and epitranscriptional modification

文章内容

1. 8-氧鸟嘌呤的配对方式
8-氧鸟嘌呤的关键特征是其顺势构象与腺嘌呤碱基对发生Hoogsteen碱基配对，而它的反式构象仍然作为一个未氧化的鸟嘌呤与胞嘧啶配对（图1a）。因此，8-oxo-dG导致鸟嘌呤向胸腺嘧啶转位，导致突变发生（G > T，与C>A相同）。为了防止这种损伤，8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶（OGG1）通过碱基切除修复（BER）途径识别、移除和修复8-oxo-dG10（图1b）。除了遗传信息的变化外，8-oxo-dG可以作为一种表观遗传标记，影响启动子中的调节元件、CpG岛的甲基化和分布。

2.DNA上发生的8-oxo-dG
8-oxo-dG具有高度的诱变性，它倾向于以syn顺式构象与腺嘌呤配对（图1a），在DNA复制过程中导致鸟嘌呤-胸腺嘧啶突变（G > T，与C>a相同），DNA聚合酶β（pol β）以syn构象容纳8- oxo-dG模板，从而将腺嘌呤合并到复制链中（图1b）。8-oxo-dG不*可以在DNA分子中形成，也可以在游离核苷酸中形成（图1b），这些游离核苷酸特别容易受到氧化损伤（8-oxo-dGTP）。由于8-oxo-dGTP引起pol β活性位点的变化，它的协同构象可以插入到相反的腺嘌呤中，避免被识别为受损，从而导致A>C的突变（与T>G相同），称为聚合酶诱导的细胞毒性(图1b)。

图1 8-氧鸟嘌呤的碱基配对、突变和DNA修复的特征

3. 8-oxo-dg诱导的疾病转录突变
8-oxo-dG修饰不*能改变复制过程中的DNA信息（G > T转位），还能介导转录突变，调控遗传信息。尽管RNA聚合酶具有高保真度，但模板链中的8-oxo-dG可以直接转录，由于8-oxo-dG-A碱基配对，导致mRNA中的C > A转位，并且位于编码序列中的8-oxo-dG导致错误蛋白的翻译（图2a），这些蛋白经过不增殖的细胞而不进行DNA复制。8-oxo-dG及其修复中间体（如AP位点）可以通过影响转录元件的完整性来影响基因的表达（图2b），即使是位于编码基因非转录DNA链的，它也会通过转录中的调节元件抑制转录。

4. 8-氧鸟嘌呤转录调控的表观遗传作用
8-oxo-dG修饰不*损害DNA信息，而且作为一种表观遗传标记，与其修复中间体一起介导转录调控。除了G-四联体外，NF-kB转录因子的调控结合位点与8-oxo-dG与OGG1相互作用，促进转录**（图2c）。8-oxo-dG与组蛋白去甲基化相关，其中DNA氧化由去甲基化反应中产生的局部ROS诱导，随后与OGG1结合，介导转录调控（图2d），对于DNA胞嘧啶甲基化（5-甲基胞嘧啶，5mC），8-oxo-dG降低了与DNA甲基转移酶（DNMTs）的结合亲和力，从而抑制了CpG岛的甲基化（图2e），并且在氧化应激诱导的DNA去甲基化过程中，OGG1在识别8-oxo-dG损伤和招募TET1方面发挥了重要作用，TET1可以将邻近的5mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）使DNA发生去甲基化（图2e）。

图2 8-oxo-dG的表观遗传作用

5. RNA中的8-氧鸟嘌呤
对8-oxo-dG的研究相比，对O8G的研究较少，其修复机制和调控功能尚不清楚。虽然DNA和RNA都能与ROS发生反应，但RNA的独特特性使其容易被氧化。RNA氧化可严重导致编码和非编码RNA的功能障碍和调节，这与氧化作用下的病理生理后果有关。因此，O⁸G不*参与氧化损伤，而且作为一种表转录修饰。
文章提出细胞质RNA的氧化修饰，可能包括mRNA、rRNA、tRNA和miRNA，均已被提出在氧化还原相关的疾病表型中发挥作用。mRNA中的O⁸G会恶化密码子-反密码子的相互作用，抑制翻译，并且会降低了遗传信息的质量，导致核糖体停滞，并通过改变碱基配对（O8G-A）合成受损的蛋白质。此外，mRNA中的O⁸G对其编码能力非常有害，因为它会导致核糖体停滞，随后产生流产蛋白(图3A），从而增加细胞毒性，恶化核糖体稳态，组织核糖体**no-go衰变（NGD）（图3b）。O8G能直接被核糖核酸降解酶（PNPase和APE1）和RBPs（YB-1和AUF1）识别，作为核糖体**的mRNA质量控制的一部分，但O⁸G可以作为一种表转录修饰，标记转录后基因抑制的选择性mRNA降解（图3c）。

6.信号通路的调节
PCBP1只通过其两个与RNA结合的KH结构域结合严重氧化的RNA，并不会使靶mRNA不稳定，而是**导致凋亡细胞死亡的信号通路（图3d）。在没有PCBP1的情况下，caspase-3**和PARP裂解减少。作者认为PCBP1与过量的O⁸Gs结合可启动一个损伤信号通路，导致氧化应激下的细胞凋亡。相反，即使PCBP2结合了严重氧化的O⁸G-RNA，PCBP2也抑制了ROS介导的细胞死亡（图3d）。此外，在氧化应激过程中，游离O⁸GTP浓度的增加可以调节小G蛋白的活性（图3d）。在一定条件下，O⁸G通过O⁸G-RNA或游离的O⁸GTP调节多种信号通路，诱导细胞凋亡，抑制炎症反应。目前，O⁸G在调节信号通路中的具体作用和机制也有待进一步研究。

7.翻译抑制
在H2O2处理后的大肠杆菌中，rRNA中的O⁸G**增加，而rRNA和tRNA的折叠结构在体外对其氧化没有保护作用。在AD患者的大脑中，核糖体功能障碍与作为早期事件的RNA氧化增加有关，导致蛋白质合成的速率和能力下降。表明如果翻译机制中产生O⁸G修饰，整体翻译水平立即下降（图3e）。此外，tRNA在氧化应激反应中经历特异性的切割，导致功能性tRNA池的下调，从而限制翻译延伸过程。考虑到细胞中大部分RNA由rRNA和tRNA组成，O⁸G修饰的总体方向是抑制整体翻译，其程度依赖于细胞的氧化还原状态（图3e）。

8.非编码RNA的调控
根据其靶点的功能，miRNA具有不同的病理生理作用。因此，种子序列的任何改变都可以改变不同的靶转录本组，导致miRNA介导的功能的重定向（图3f）。一般来说，核糖体的氧化抑制了它们的活性，但活性位点的特定位置的氧化促进了翻译（图3f），此外，氧化应激已被证明可以通过特定的酶（如人类中的血管生成素200，酵母中的Rny1）诱导tRNA裂解，从而赋予特定的调控和功能，而不**是作为氧化损伤的副产物（图3f）。同时，作者也表明通过开发O⁸G测序方法（o8 G- miSeq）可以精确鉴定了心脏miRNA中的O⁸G修饰，并通过分析cDNA中O⁸G > T突变在单核苷酸分辨率上确定O⁸G位置。

图3 O⁸G的转录作用

总结

RNA中的O⁸G会导致异常质量和蛋白翻译的保真度问题，从而受到RNA衰减途径的影响。除氧化损伤外，8-oxo-dG也是一种表观遗传修饰，可影响转录调控元件和其他表观遗传修饰。

云序生物O8G RNA氧化修饰测序总结

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数据分析