《Nature Communications》：Coronaviruses reprogram the tRNA epitranscriptome to favor viral protein expression
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为了解析冠状病毒基因组富含次优密码子（A/U结尾）却仍能高效表达蛋白的机制，研究人员系统探究了SARS-CoV-2和HCoV-OC43感染对宿主tRNA修饰的重编程作用。研究发现，四种tRNA修饰（I、Q、mcm5U/mcm5s2U、m5C/f5C）对解码病毒次优密码子至关重要，病毒感染通过改变相应tRNA修饰酶表达驱动修饰重编程，从而促进病毒蛋白合成。该机制与病毒诱导的DNA损伤和氧化应激引发的宿主应激反应修饰变化相契合，揭示了冠状病毒适应宿主应激状态tRNA修饰景观的进化策略，为开发广谱抗冠状病毒疗法提供了新靶点。
冠状病毒在人类和动物中引发了多次重大疫情，从普通感冒到致命的严重急性呼吸综合征（SARS）、中东呼吸综合征（MERS）以及近期全球大流行的新型冠状病毒肺炎（COVID-19），其威胁持续存在。这些病毒的成功繁殖依赖于高效利用宿主细胞的蛋白质合成机器来生产自身所需的大量病毒蛋白。然而，一个长期困扰科学家的谜题是：冠状病毒的基因组明显“偏爱”使用那些在宿主细胞中对应tRNA（转运核糖核酸）丰度较低的“次优”密码子，尤其是以腺嘌呤（A）和尿嘧啶（U）结尾的密码子。按照经典的中心法则逻辑，这理应导致其蛋白质翻译效率低下。但现实是，冠状病毒的复制速度惊人，这暗示着病毒必定拥有某种巧妙机制来克服这一“先天不足”，从而高效地劫持宿主细胞的翻译系统。解开这个机制，不仅有助于深入理解冠状病毒的基础生物学，还可能为开发针对所有冠状病毒成员（包括未来可能出现的新毒株）的广谱抗病毒药物找到关键的“阿喀琉斯之踵”。
为了回答这一核心问题，一组研究人员在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上发表了一项深入的研究。他们系统地探究了冠状病毒如何通过操控宿主细胞内一种精细的调控层——tRNA的化学修饰（即表观转录组学修饰）——来优化自身的蛋白质翻译。tRNA是解码mRNA（信使核糖核酸）上密码子、搬运对应氨基酸到核糖体组装蛋白质的关键分子。其上的化学修饰可以显著影响tRNA的稳定性、构象以及与核糖体、mRNA的相互作用，从而精细调控翻译的速度和准确性。研究人员推测，冠状病毒可能正是通过“重编程”宿主tRNA的修饰状态，来弥补其使用大量次优密码子所带来的翻译劣势。
本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过生物信息学方法系统分析了冠状病毒基因组的密码子使用偏好。其次，利用液相色谱与质谱联用技术（LC-MS/MS）全面、定量地检测了宿主细胞在病毒感染前后各种tRNA修饰的动态变化。再者，结合核糖体图谱分析（Ribo-seq）等技术评估特定tRNA修饰变化对病毒及宿主mRNA翻译效率的具体影响。最后，通过分子生物学手段（如基因敲低/过表达）验证了特定的tRNA修饰酶在病毒诱导的修饰重编程及病毒蛋白合成中的关键作用。研究所用的病毒株包括了引起严重感染的SARS-CoV-2和引起轻度感染的HCoV-OC43，以探究这一机制的普遍性。样本主要来源于感染这些病毒的体外培养细胞模型。
研究结果
冠状病毒基因组富含次优密码子
通过对代表性冠状病毒基因组的密码子使用进行分析，研究人员证实了这些病毒确实显著富集使用那些在宿主细胞中对应tRNA丰度较低的A-和U-结尾的密码子（即次优密码子）。这从序列特征上提出了它们需要特殊机制来保障高效翻译的问题。
病毒感染重编程特定的tRNA修饰
利用高灵敏度的质谱分析，团队发现SARS-CoV-2和HCoV-OC43感染能显著改变宿主细胞中多种tRNA修饰的水平。他们特别鉴定出四种修饰的变化与病毒解码其次优密码子密切相关：肌苷（inosine, I）、奎尿苷（queuosine, Q）、5-甲基羧甲基尿苷/5-甲基羧甲基-2-硫尿苷（5-methylcarboxymethyluridine/5-methylcarboxymethyl-2-thiouridine, mcm5U/mcm5s2U），以及5-甲基胞苷/5-甲酰基胞苷（5-methylcytidine/5-formylcytidine, m5C/f5C）。这些修饰的改变并非随机，而是呈现出一种协调的重编程模式。
tRNA修饰重编程由修饰酶表达变化驱动
机制探究表明，上述tRNA修饰的重编程并非被动过程。研究人员发现，病毒感染会显著上调或下调催化这些特定修饰的tRNA修饰酶的表达。例如，负责合成Q修饰的tRNA-鸟嘌呤转糖基酶（TGT）的表达在感染后被改变。这直接证明病毒主动干预了宿主tRNA修饰的生化通路。
重编程的修饰有利于病毒蛋白翻译
功能实验证实，这种病毒诱导的tRNA修饰重编程对病毒自身有利。当人为干扰这些关键修饰（如抑制特定修饰酶）时，病毒蛋白的合成效率显著下降，而病毒复制也受到抑制。相反，这些修饰的变化对宿主细胞自身大部分蛋白质的翻译影响相对较小。这表明病毒“精心策划”的修饰重编程具有选择性，优先优化了自身基因组的翻译。
重编程与宿主应激反应耦合
研究进一步揭示了病毒重编程tRNA修饰的深层逻辑：SARS-CoV-2和HCoV-OC43感染均会诱导宿主细胞发生DNA损伤和氧化应激。而已知在细胞应激状态下，Q、mcm5U/mcm5s2U和m5C/f5C等修饰也会发生改变，以促进细胞应激反应蛋白的表达。因此，冠状病毒的基因组可能是在进化过程中适应了宿主细胞在应激（如病毒感染本身引发的应激）条件下的tRNA修饰“景观”，从而利用这种预先存在的细胞反应通路来为自己服务。
研究结论与意义
该研究得出核心结论：冠状病毒采用了一种保守且高效的策略来优化其蛋白质合成——即通过改变宿主tRNA修饰酶的表达，主动重编程宿主的tRNA表观转录组，特别是I、Q、mcm5U/mcm5s2U和m5C/f5C这几种关键修饰，从而创造一个更有利于解码自身富含的次优密码子的细胞内环境。这一机制与病毒诱导的DNA损伤和氧化应激反应紧密耦合，表明病毒巧妙地“劫持”了宿主细胞在压力下的固有调控程序来促进自身复制。
这项研究的科学意义重大。首先，它从一个全新的视角（表观转录组重编程）揭示了冠状病毒高效翻译的分子基础，解决了其密码子使用偏性与翻译效率之间看似矛盾的问题。其次，它阐明了病毒与宿主在翻译调控层面一种精细的相互作用机制。最重要的实践意义在于，研究所鉴定的这些关键的tRNA修饰及其对应的修饰酶，代表了潜在的、全新的广谱抗冠状病毒药物靶点。由于这一机制在两种致病性差异很大的人类冠状病毒（SARS-CoV-2和HCoV-OC43）中都存在，并且冠状病毒基因组普遍富含次优密码子，因此针对这些靶点开发抑制剂，有可能有效抑制多种冠状病毒的复制，为应对当前及未来可能的冠状病毒疫情提供新的治疗策略。
