2022年8月26日，浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授课题组在国际权威学术期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）在线发表线粒体tRNA转录后修饰的最新研究成果（原文链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac698/6677330?searchresult=1），该研究鉴定了首个哺乳动物线粒体tRNA假尿嘧啶核苷（Pseudouridine, Ψ）合成酶TRUB1，并阐明该酶催化线粒体tRNA Ψ55修饰形成的机制。tRNA Ψ55修饰高度保守，是tRNA中最广泛存在的一种假尿嘧啶修饰，以至于tRNA的TΨC臂因此命名，但人类tRNA Ψ55修饰的机制和功能研究均十分匮乏。该研究发现线粒体tRNAAsn, tRNAGln, tRNAGlu, tRNAPro, tRNAMet, tRNALeu(UUR)和tRNASer(UCN)55位点的尿嘧啶核苷（Uridine, U）被修饰为假尿嘧啶核苷，其中tRNAAsn, tRNAGln, tRNAGlu和tRNAPro55位点的修饰由假尿嘧啶核苷合成酶TRUB1催化完成。TRUB1是一种高度保守的线粒体假尿嘧啶核苷合成酶，其缺陷影响线粒体tRNA代谢，线粒体蛋白翻译以及氧化呼吸链复合体的正常生物学功能。
RNA具有重要的生物学功能，转录后修饰对于RNA的正常功能至关重要。迄今为止，已发现超过180种RNA转录后化学修饰（MODOMICS）。多种修饰在RNA代谢中发挥重要作用，包括RNA结构的形成，稳定性和动态平衡，RNA的转录后剪切，RNA的多腺苷酸化，RNA的转运，RNA的定位，RNA的可翻译性，以及RNA与其他生物大分子的相互作用等。人类线粒体基因组共编码13种mRNA，2种rRNA和22种tRNA。与胞质tRNA相似，线粒体tRNA经过广泛的化学修饰后才能行使其正常的生物学功能。目前，22种线粒体tRNA中，已在137个位点发现共计18种化学修饰。
管敏鑫教授课题组长期从事人类线粒体tRNA化学修饰机制，以及tRNA修饰与疾病关系的研究，取得了一系列原创性的研究成果。在人及酵母，斑马鱼，小鼠等多种模式生物中发现并鉴定了τm5s2U相关的修饰酶MTO1，GTPBP3和MTU1（TRMU），并深入研究了这些酶参与线粒体tRNAGlu, tRNAGln 和tRNALys34位τm5s2U修饰的机制，以及这些基因在耳聋和肥厚性心肌病等疾病中的致病机理。发现线粒体14692A>G 突变导致的线粒体tRNAGlu Ψ55修饰缺失与耳聋和糖尿病的发生相关。发现线粒体4295A>G 突变和7551A > G 分别在tRNAIle和tRNAAsp的37位点引入新的m1G37 修饰，而这种修饰的改变在耳聋的发生过程中起到重要作用。线粒体4435A>G 突变，在tRNAMet中引入新的m1G37修饰，进而导致了高血压的发生。
人类共有13种假尿嘧啶核苷合成酶（DKC1, PUS1, PUS3, PUS7, PUS7L, PUS10, PUSL1, RPUSD1, RPUSD2, RPUSD3, RPUSD4, TRUB1和TRUB2），其中DKC1，TRUB1和TRUB2隶属于TruB家族，PUS10属于Pus10家族。相关报道指出，人类DKC1与rRNA假尿嘧啶修饰以及端粒的维持相关；TRUB1与细胞核tRNA的Ψ55修饰相关；TRUB2参与线粒体mRNA的假尿嘧啶修饰，并影响16S RNA和线粒体蛋白翻译；PUS10参与胞质tRNA Ψ54和Ψ55的修饰。人TRUB1基因编码一个349氨基酸的假尿嘧啶核苷合成酶，其71-83位氨基酸为TruB家族保守的motif I，与蛋白结构维持相关；117-130位氨基酸为motif II，与U55的识别相关，并行使催化功能。TRUB1在不同物种中高度保守，部分定位于线粒体。
TRUB1基因敲除造成的tRNAAsn，tRNAGln， tRNAGlu，tRNAPro Ψ55修饰缺失，影响这些tRNA的构象及稳定性，导致其在非变性聚丙烯酰氨凝胶电泳中的迁移速率发生变化，并影响这些tRNA对S1核酸酶酶切消化的敏感性，但对相应tRNA的稳态水平及氨酰化水平无显著影响。
以上tRNA代谢水平的变化最终导致线粒体蛋白（线粒体DNA编码和核基因编码）水平异常，并影响线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）复合体的正常组装和活性。而上述线粒体功能及tRNA的异常，均能通过在TRUB1基因敲除HeLa细胞模型中过表达TRUB1的回补实验中纠正。
该研究证明了TRUB1作为高度保守的线粒体假尿嘧啶核苷合成酶，负责线粒体tRNAAsn，tRNAGln， tRNAGlu，tRNAPro Ψ55的修饰，并对线粒体tRNA代谢，线粒体蛋白翻译，及氧化呼吸链的正常功能发挥重要作用。该研究部分揭示了线粒体tRNA 55位点修饰的机理，并为其他线粒体tRNA转录后化学修饰机制的研究提供了新的思路。
该研究受到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。浙江大学遗传学研究所讲师贾子冬，浙江大学医学院附属儿童医院研究员孟飞龙和浙江大学遗传学研究所博士生陈晖为本文第一作者，浙江大学遗传学研究所管敏鑫教授为本文通讯作者。
通讯作者介绍
管敏鑫，浙江大学求是讲席教授，973首席科学家。1993年获澳大利亚国立大学博士学位；1993-1999年任加州理工学院博士后；1999-2011年在辛辛那提大学儿童医院任助理教授、副教授、教授；2011年加盟浙江大学，曾任生命科学学院院长、医药学部副主任，现任遗传学研究所所长。
曾获5项美国国立卫生研究院RO1基金，主持973计划，国家自然科学基金重点项目等课题。长期从事遗传性线粒体疾病的基础研究和临床转化，已建立3000余家系的母系遗传性耳聋、2000余家系的遗传性视神经病变的队列，围绕这些线粒体功能障碍所致出生缺陷的致病机制和精准诊治，开拓创新，取得了一系列具有国际领先水平的原创性研究成果并形成重要的理论体系：破解氨基糖苷类抗生素“一针致聋”之谜，发现了3个调控线粒体12S rRNA基因突变耳聋表型表达的核修饰基因TRMU、MTO1、GTPBP3，创新性地提出了核修饰基因和线粒体基因相互作用导致耳聋的新理论；在耳聋患者源的遗传缺陷型组织中实现iPSC的遗传矫正，实现听力功能重塑；鉴定了X连锁核修饰基因PRICKLE3突变与线粒体基因突变协同作用引发LHON，破解了LHON男性好发这一30年未解之谜，多项成果得到转化和广泛应用。
在J Clin Invest、Am J Hum Genet、Nucleic Acids Res、Circ Res等期刊上发表论文248篇；连续8年（2014-2021年）入选“Elsevier生化、遗传和分子生物学”高被引学者。曾获2次国家科技进步二等奖、谈家桢生命科学创新奖等奖励；授权国家发明专利11件；主编《医学遗传学》等教材；曾担任美洲华人遗传学会主席（2007-2008）和亚洲线粒体医学及研究学会主席（2011-2014）。
