蓝藻RNA修饰全景图谱揭示m5C甲基化对光合作用的转录后调控机制

《Journal of Biological Chemistry》：Global discovery of RNA modifications and functional analysis of m5C methylome in cyanobacteria

本研究针对蓝藻RNA修饰谱未知的科学瓶颈，通过质谱与转录组联合分析，在模式蓝藻Synechocystis中系统鉴定21种RNA动态修饰，首次绘制原核生物m5C全转录组图谱，发现824个高置信位点集中于核糖体、光合作用相关基因。多组学整合揭示m5C通过负向调控蛋白质丰度影响RNA-蛋白质一致性，为原核生物表观转录调控研究提供关键数据库与方法学范式。

　　

在生命演化的长河中，蓝藻作为最早释放氧气的光合生物，奠定了地球大气层演变的基石。然而，这类古老原核生物基因表达调控的"暗物质"——RNA化学修饰，尤其是5-甲基胞嘧啶（m⁵C）介导的转录后调控机制，始终是未被揭示的科学谜题。尽管真核生物中m⁵C被证实参与干细胞分化、肿瘤发生等关键过程，但蓝藻等原核生物的RNA修饰图谱仍属空白，严重制约了我们对光合生物基因表达调控网络的完整认知。

为破解这一难题，中国科学院水生生物研究所葛峰团队在《Journal of Biological Chemistry》发表突破性研究，首次绘制蓝藻全转录组RNA修饰图谱。研究人员采用多反应监测质谱技术，在模式蓝藻集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中定量鉴定出21种RNA修饰，发现其丰度随光照强度、温度胁迫等环境因素动态变化。尤为重要的是，通过亚硫酸氢盐测序技术，团队在全转录组范围精准定位824个高置信度m⁵C位点，覆盖382个基因，其中40.17%的位点经m⁵C RNA免疫共沉淀测序验证。

关键技术方法包括：基于质谱的RNA修饰定量分析、亚硫酸氢盐测序构建m⁵C全转录组图谱、m⁵C RNA免疫共沉淀验证、转录组与蛋白质组整合分析。所有实验均采用Synechocystis标准菌株，在不同生长阶段（指数期/稳定期）及多种胁迫条件下培养取样。

全局RNA修饰发现揭示蓝藻特有修饰模式

质谱分析显示蓝藻RNA修饰谱显著区别于真核生物：尿苷修饰（m⁵U和ψ）占比超2%，而真核生物中丰富的m⁶A修饰仅占0.005%。21种修饰在高温、强光等胁迫下呈现动态变化，提示其参与环境适应调控。

m⁵C甲基化组展现位点特异性

亚硫酸氢盐测序鉴定到的m⁵C位点中，多修饰基因呈现功能聚集现象。序列motif分析发现G富集区域（-4至+7位点）的独特模式，暗示蓝藻可能存在特异的m⁵C识别机制。

功能富集指向核心生物学过程

m⁵C修饰基因显著富集于核糖体生物合成、RNA降解、碳代谢和光合作用通路。蛋白质互作网络分析揭示，含17个m⁵C位点的多核苷酸磷酸化酶基因与核糖体蛋白形成紧密互作模块。

多组学整合揭示翻译抑制新机制

转录组-蛋白质组关联分析发现，m⁵C修饰基因的蛋白质/RNA比值显著低于未修饰基因，表明m⁵C可能通过阻碍核糖体进程抑制翻译效率。这种调控效应在稳定期尤为显著，体现了生长阶段依赖性。

该研究首次系统阐释了蓝藻RNA修饰的调控规律，建立的原核生物m⁵C研究范式可推广至其他测序微生物。发现m⁵C通过调控光合作用相关基因表达影响能量代谢，为理解光合生物环境适应性提供了新视角。研究揭示的翻译抑制机制颠覆了真核生物中m⁵C促进翻译的经典认知，暗示原核生物可能演化出独特的RNA修饰解码系统。这项开创性工作不仅填补了原核生物表观转录组学空白，更为合成生物学改造光合效率提供了新靶标。