《NAR Genomics and Bioinformatics》：Structural analysis of uridine modifications in solved RNA structures
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本研究针对RNA尿苷修饰缺乏系统性结构分析的问题，开展了对六种常见尿苷修饰（PSU、5MU、UR3、OMU、4SU、H2U）在已解析RNA三维结构中的全面研究。通过分析RCSB PDB中2982个修饰位点，发现这些修饰主要分布于rRNA和tRNA的发夹结构中，并表现出特定的糖环折叠偏好。与未修饰尿苷相比，大多数修饰保持高度结构相似性（RMSD≤1.0 ?），但某些PSU、5MU和4SU基序存在显著构象差异。该研究为理解RNA修饰的结构功能关系提供了重要基础，对RNA靶向治疗和结构生物学发展具有指导意义。
在RNA生物学领域，尿苷修饰长期以来被视为神秘的"化学装饰"，这些微小的化学改变如何影响RNA的三维结构和功能，一直是科学家们探索的焦点。随着mRNA疫苗等RNA疗法的兴起，假尿苷（PSU）等修饰成分显示出增强稳定性和降低免疫原性的独特优势，然而我们对这些修饰在原子水平上的结构影响却知之甚少。尽管MODOMICS数据库已收录约170种RNA修饰，但迄今为止，尚未有研究系统分析这些修饰在实验解析的RNA三维结构中的分布规律和构象特征。
为解决这一知识空白，圣路易斯大学的研究团队在《NAR Genomics and Bioinformatics》上发表了开创性研究，系统分析了六种最常见尿苷修饰在RNA三维结构中的结构特征。研究人员采用多步骤分析流程：首先从RCSB PDB数据库获取含特定修饰的RNA结构文件，应用≤3.0 ?分辨率筛选标准；利用DSSR（Dissecting the Spatial Structure of RNA）软件进行二级结构元素识别和构象参数分析；通过RNA CoSSMos数据库查找对应未修饰序列；采用序列代表结构（SRS）方法减少数据冗余；最后通过全原子均方根偏差（RMSD）分析比较修饰与未修饰结构的差异。
尿苷修饰在已解析RNA三维结构中的出现情况
研究团队在未加限制的数据集中初步鉴定了594个含PSU、436个含5MU、367个含UR3、334个含OMU、231个含4SU和210个含H2U的结构文件。经过分辨率和质量筛选后，最终数据集包含293个PSU、214个5MU、173个UR3、219个OMU、105个4SU和88个H2U结构。总计识别出2982个PSU残基，使其成为数据集中最频繁出现的修饰，其次为5MU（736个）、OMU（429个）、4SU（314个）、UR3（232个）和H2U（171个）。这种分布差异可能反映了不同修饰的生物合成频率和检测技术的灵敏度限制。
尿苷修饰在RNA类型和SSE中的分布
分析显示所有尿苷修饰在rRNA中出现频率最高。PSU广泛分布于rRNA、tRNA、snRNA和合成构建体中，而5MU主要富集于rRNA（92%）。值得注意的是，UR3在tRNA中未被检测到，这与先前报道某些tRNA中存在UR3修饰相悖。OMU和4SU也强烈富集于rRNA（分别占96%和97%），而H2U在tRNA中分布比例最高（35%）。二级结构元素分析表明尿苷修饰最常见于发夹环中，但不同修饰类型存在差异：约52%的PSU和72%的5MU位于7、8和9个未配对核苷酸的发夹内，而UR3在发夹中出现频率最低（<5%），H2U则有76%位于发夹结构中。
尿苷修饰的糖苷键角和糖环折叠
糖苷键角分析显示>80%的尿苷修饰采取反式构象，小于1%无法被明确归类。糖环折叠分析揭示了修饰特异性偏好：PSU、5MU、OMU和4SU主要呈现C3'-内折叠（A型RNA特征），而UR3和H2U则偏好C2'-内折叠（B型结构特征）。特别是H2U，其C5=C6双键饱和使C2'-内折叠构象稳定化能量达1.5 kcal/mol，而UR3中约70%残基采取这种构象。这些趋势反映了每种修饰特有的空间和电子效应驱动的结构适应。
修饰与未修饰发夹SRS的比较
由于尿苷修饰主要富集于发夹结构，研究人员特别针对含修饰发环的序列代表结构（SRS）进行了详细比较。分析涵盖32个PSU序列（19个未修饰对照）、14个5MU序列（8个对照）、1个UR3序列（1个对照）、14个OMU序列（12个对照）以及各2个4SU和H2U序列（各2个对照）。
PSU修饰的分析显示约53%的SRS与未修饰对应物结构相似（RMSD≤1.0 ?），其余则出现显著偏差。研究发现PSU的N1亚氨基质子可参与氢键网络，尽管只有<10%的PSU残基形成N1氢键。具体案例如7UCK_UGPPCAAAG_9_820中PSU-3的N1质子与同一SSE内A6的磷酸骨架形成氢键，而未修饰结构6ZQC中相应尿苷残基则翻转远离发夹SSE，与两个精氨酸、一个丝氨酸及相邻尿苷碱基相互作用。
5MU修饰的SRS中约64%与未修饰对应物结构相似，其余偏差较大（RMSD>1.7 ?）。5-甲基基团在保留WCF面的同时可能限制碱基旋转并影响糖环折叠。例如1F7V_GtPCAaGUC_B_953中5MU修饰与相邻G1和PSU-3残基堆叠，并与1MA-6形成Hoogsteen碱基对，而未修饰SRS仅显示碱基堆叠相互作用。
UR3的单一SRS比较显示高度相似性（RMSD≤0.2 ?）。修饰结构7F5S_GGUAAGC_L5_1864和未修饰结构6Y6X_GGUAAGC_L5_1865在五核苷酸环区域均保持相似的骨架氢键相互作用，且均与同一SSE内相邻A4残基堆叠。由于空间排列限制，N3原子不参与氢键，因此UR3的3-甲基基团不会破坏潜在相互作用。
所有OMU修饰的SRS均与未修饰对应物结构相似（最大RMSD为0.835 ?）。OMU独特地修饰核糖（O2'位置）而非核碱基，因此对碱基配对或堆叠影响最小，但观察到三级氢键模式的细微差异。例如6AZ3_GGUAAu_3_5和5T2A_GGUAAU_E_6均显示标准G-U氢键，但未修饰尿苷额外与附近精氨酸和丝氨酸残基形成氢键。
4SU修饰的两个SRS中一个结构相似（RMSD≈0.8 ?），另一个出现显著位移（RMSD≈2.8 ?）。在5WDT_uGGAGCAG_w_8中，4SU采取罕见的C1'-内糖环折叠，重新定位修饰核苷酸以促进与环内C6残基的堆叠相互作用，而未修饰尿苷则保持标准C3'-内折叠。
两个H2U修饰的SRS均显示高度相似性（RMSD≈0.3和0.8 ?）。尽管C5=C6键饱和，H2U仍可采取顺式糖苷键角并参与独特的氢键或堆叠相互作用。例如3JCS_CGuGAG_2_1402中H2U-3采取顺式构象和C4'-外折叠，仍能与U663形成单氢键并与相邻G4堆叠，而未修饰残基则形成多个氢键。
研究与讨论
本研究首次系统分析了六种最常见尿苷修饰在实验解析RNA结构中的空间分布和构象特性。这些修饰涵盖广泛的化学改变，包括WCF面改变、异构化、硫代和核糖修饰。研究发现大多数含尿苷修饰的SRS采取与未修饰对应物密切相似的构象，但部分修饰尿苷参与了未修饰RNA中不典型的非经典相互作用。特别值得注意的是，修饰引起的结构变化高度依赖于局部序列环境，某些情况下微小的化学修饰可引发显著的构象重排。
该研究的局限性包括历史模型构建和注释实践可能导致的修饰漏报，特别是早期核糖体结构。此外，3.0 ?分辨率阈值可能在原子级别细节分析上存在限制，但为平衡结构质量和数据集规模的必要妥协。
这项研究为RNA修饰的结构功能关系提供了详细框架，对推进RNA结构预测模型和合理设计RNA疗法具有重要意义。研究发现强调了在RNA结构预测算法中考虑核苷酸修饰的必要性，并为理解修饰如何调节RNA稳定性、翻译效率和免疫识别提供了结构基础。随着RNA疗法和表观转录组学领域的快速发展，这种系统性结构分析将为未来研究提供宝贵资源。
