综述：RNA假尿苷化修饰的分子机制解析

这篇综述深入探讨了假尿苷合成酶(PUS)家族的结构特征与催化机制，系统总结了六类保守PUS超家族（TruA/TruB/TruD/RluA/RsuA/Pus10）在tRNA/rRNA/mRNA修饰中的底物选择性规律，并揭示了PUS酶功能异常与神经发育障碍(MLASA)、线粒体疾病和癌症的分子关联，为RNA修饰的生物学意义和临床转化提供了新视角。

　　

假尿苷（Ψ）作为RNA中最丰富的转录后修饰之一，其形成由高度保守的假尿苷合成酶（PUS）家族催化。这些酶通过将尿苷的C1′-N1糖苷键异构化为C1-C5键，产生额外的N1-H氢键供体，从而增强RNA分子稳定性和相互作用能力。最新冷冻电镜和晶体结构研究揭示了PUS酶共有的α/β拓扑核心结构，但其底物选择性由各家族特有的辅助结构域决定。

PUS3独特的同源二聚体架构

细菌TruA和人类PUS3虽均形成二聚体，但采用完全不同的界面：TruA通过顶部环区头对头相互作用，而PUS3通过C端螺旋形成反平行卷曲螺旋。这种二聚化模式使它们像"分子尺"般精准定位tRNA，一个单体结合tRNA肘部G₁₉:C₅₆对，另一单体将反密码子茎环（ASL）定位于催化中心。值得注意的是，PUS3对tRNA分子构象具有严格选择性，这解释了为何其修饰活性仅局限于tRNA而非mRNA。

PUS1的单体化特征与多底物活性

与PUS3不同，PUS1以单体形式存在，其C端延伸形成"底物结合墙"结构。这种独特拓扑使其能够修饰tRNA_27/28位点及mRNA茎环结构。酵母Pus1与mRNA的共晶结构显示，其通过13个氨基酸残基与RNA形成广泛相互作用网络，识别特定的HRU基序（H=腺嘌呤/胞嘧啶/胸腺嘧啶，R=鸟嘌呤/腺嘌呤）。

底物识别的双重策略

• 结构依赖型：如TruB识别tRNA TΨC臂的预折叠茎环，通过形状互补性结合G₅₃U₅₄U₅₅A₅₈C₆₁保守序列

• 序列依赖型：如RluA作用于ΨUNNAAA共识序列，并通过精氨酸插入诱导RNA构象重排，形成反向Hoogsteen碱基对

催化机制的保守与变异

所有PUS酶共享天冬氨酸-精氨酸催化网络：

1. 1.

   保守天冬氨酸去质子化核糖C2′

2. 2.

   精氨酸"拇指"翻转靶向尿苷

3. 3.

   芳香族残基（酪氨酸/苯丙氨酸）稳定翻转碱基

   例外存在于TruD家族，其催化口袋中的精氨酸被赖氨酸取代，且疏水残基发生特异性变异，反映了该家族的进化分异。

DKC1复合物的向导RNA机制

与独立作用的PUS酶不同，真核生物DKC1需与H/ACA snoRNA及辅助蛋白（NOP10/GAR1/NHP2）组装成核糖核蛋白（RNP）。向导RNA通过5′和3′引导序列与底物RNA配对，使未配对的UN二核苷酸（U为靶标）呈现U-turn构象进入催化中心。该复合物在核糖体生物发生和端粒酶维持中发挥关键作用。

疾病关联的分子基础

• PUS1：线粒体tRNA^Ser修饰缺陷导致MLASA综合征，特征性突变如Arg116Trp破坏酶稳定性

• PUS3：错义突变（如Val279Phe）引起智力障碍，患者成纤维细胞显示tRNA₃₉位Ψ修饰缺失

• PUS7：在胶质瘤中过表达通过稳定促癌mRNA促进进展，而其抑癌功能则依赖于ALKBH3 mRNA的U₆₉₆位修饰

• DKC1：PUA结构域突变（如Ala353Val）干扰端粒酶RNA结合，导致X连锁角化不良症

生物医学应用前景

假尿苷化技术正在开辟新治疗途径：

• •

  mRNA疫苗中引入Ψ可降低免疫原性并增强稳定性

• •

  编程性DKC1介导的终止密码子修饰（U→Ψ）使核糖体通读，为无义突变疾病提供潜在治疗方案

随着冷冻电镜技术和单分子测序的发展，未来研究将更精确解析PUS-RNA互作动态，揭示Ψ修饰在RNA代谢网络中的调控层次，为相关疾病的精准干预提供新靶点。