引言

转移相关肺腺癌转录本1（MALAT1）是最早发现的和进化上最保守的长非编码RNA（lncRNA）之一。MALAT1在多种癌症中的表达水平显著升高，并在预测癌症转移和患者生存方面具有重要的临床应用意义【1】。MALAT1在乳腺癌、肝癌和肺癌、糖尿病、胰岛素信号传导、炎症等疾病中发挥多种作用。MALAT1定位于核斑点（nuclear speckles），直接与活性染色质和RNA结合蛋白（如异质性核核糖核蛋白C（hnRNP C）和丝氨酸/精氨酸剪接因子）结合【2, 3】。通过这些和其他核内分子的互作，MALAT1在调节转录、前mRNA剪接、微RNA隔离及其他细胞过程中起到关键作用【4】。然而MALAT1，NEAT1，以及其他至少130个后生动物的lncRNA 缺失稳定多数mRNA的 3′ poly(A) 尾。这些lncRNA则利用它们3′ 末端的稳定RNA三螺旋（triplex）结构以免受外切核酸酶快速降解【5, 6】。MALAT1前体通过模仿tRNA结构以招募RNase P切割其5′ 引导序列，产生成熟MALAT1。与此同时，被RNase P切割后的tRNA类似结构生成一个新的小非编码RNA，被命名为mascRNA【7】。随后，ELAC2（ElaC同源蛋白2，或RNase Z）去除mascRNA 的3′ 尾部，然后CCA-添加酶对它添加3′ CCA尾，最终产生61碱基长的成熟mascRNA。在细胞核内驱动MALAT1成熟后，mascRNA被转运到细胞质中，并执行一系列其他功能，包括增强翻译、调节先天免疫和维持巨噬细胞功能 【8-10】。mascRNA特异性结合谷氨酰-tRNA合成酶（GlnRS）、多tRNA合成酶复合物（MSC）和hnRNP H/F等蛋白。成熟的MALAT1和mascRNA分别独立促进细胞增殖、迁移和侵袭，并在小鼠模型中驱动肿瘤形成和转移。

尽管具有3′ CCA末端和整体类似tRNA的二级结构，但尚未发现成熟的mascRNA被氨酰化。这与大多数植物病毒中的类tRNA结构（TLS）形成鲜明对比，例如芜菁黄花叶病毒（TYMV）和燕麦花叶病毒（BMV）。病毒TLS的主要功能是招募宿主氨酰-tRNA合成酶（aaRSs）以在其3′末端安装氨基酸。TLS氨酰化增强病毒mRNA与翻译因子和核糖体的结合，以促进病毒mRNA翻译并支持其感染性。mascRNA不被aaRSs识别的现象引发了一个问题，即它是否折叠成tRNA的经典三维结构。同时，mascRNA缺失位于tRNA核心区域的约八个进化上保守的和结构上重要的碱基。到目前为止，mascRNA的具体三维结构，以及它与RNase P， ELAC2, aaRSs等tRNA加工酶的相互作用仍未知。

2024年7月2日，美国国立卫生研究院（NIH）资深研究员张金伟研究组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表了题为Structural basis of MALAT1 RNA maturation and mascRNA biogenesis的文章解析首个mascRNA晶体结构，并通过酶动力学、圆二色性 (CD)、荧光偏振、实时荧光定量PCR、RNA测序等多种生物化学、生物物理、和细胞生物学手段揭示了MALAT1 和mascRNA 招募多个tRNA加工酶的分子机理。

a. MALAT1 lncRNA 末端成熟和mascRNA产生的流程图。b. 对比tRNA和mascRNA的结构相似性和差异。c.mascRNA目前已知的细胞质功能。(Credit: Nature Structural & Molecular Biology)

文章作者发现MALAT1 前体以及mascRNA结构使用一种异常精简的准tRNA折叠。虽然没有使用任何单链碱基来连接类似tRNA的4个双螺旋茎区，这种新颖的RNA架构仍然有效地模拟了tRNA的上半部分，包括其特征性的臂肘 (elbow) 结构。tRNA和mascRNA的臂肘结构均由D-loop和T-loop结构互补镶嵌产生，是tRNA独有的表面结构特征【11-14】。体外和细胞内实验一致表明mascRNA的臂肘结构对RNase P的招募至关重要，由于臂肘区域与RNAse P RNA通过直接的p-p堆叠以实现结构对接和RNA-RNA互作。相比RNAse P，ELAC2则表现出一种较宽松的RNA底物特异性。mascRNA的下半部分与tRNA有明确的结构差异，通过D 茎区和反密码子区域的40度旋转和重新定位防止了氨酰化，避免干扰正常的核糖体蛋白质合成。这些结构和功能数据为MALAT1的末端成熟和mascRNA的生物学发生提供了详细的分子基础。

a-g. 多种实现tRNA结构拟态的天然RNA架构的横向比较(Credit: Nature Structural & Molecular Biology)综上，一大类后生动物内以MALAT1为例的lncRNA采用一种新颖的、异常精简的准tRNA结构来招募指定的tRNA加工酶，同时避免被其他不利的tRNA酶识别，以驱动精准定制的RNA生成、加工和成熟。相比其他的天然模仿tRNA的RNA结构 （比如Y RNA， tmRNA， TLS，IRES等）， mascRNA提供了目前已知的最精简而有效的策略。利用MALAT1 作为范例，此项工作首次揭示了长非编码RNA的部分精细复杂三维结构，以及这类模块化的RNA如何通过部分模仿其他的RNA结构实现招募或者排斥不同RNA结合蛋白的原则和机制，并提供了发展和设计新型RNA功能设备和靶向或者基于RNA结构的抗癌药物设计的前景和框架。

参考文献

1. Ji, P., et al., MALAT-1, a novel noncoding RNA, and thymosin beta4 predict metastasis and survival in early-stage non-small cell lung cancer. Oncogene, 2003. 22(39): p. 8031-41.2. Liu, N., et al., N(6)-methyladenosine-dependent RNA structural switches regulate RNA-protein interactions. Nature, 2015. 518(7540): p. 560-4.3. Tripathi, V., et al., The nuclear-retained noncoding RNA MALAT1 regulates alternative splicing by modulating SR splicing factor phosphorylation. Mol Cell, 2010. 39(6): p. 925-38.4. Arun, G., D. Aggarwal, and D.L. Spector, MALAT1 Long Non-Coding RNA: Functional Implications. Noncoding RNA, 2020. 6(2).5. Zhang, B., et al., Identification and Characterization of a Class of MALAT1-like Genomic Loci. Cell Rep, 2017. 19(8): p. 1723-1738.6. Brown, J.A., et al., Formation of triple-helical structures by the 3'-end sequences of MALAT1 and MENbeta noncoding RNAs. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012. 109(47): p. 19202-7.7. Wilusz, J.E., S.M. Freier, and D.L. Spector, 3' end processing of a long nuclear-retained noncoding RNA yields a tRNA-like cytoplasmic RNA. Cell, 2008. 135(5): p. 919-32.8. Sun, T., et al., The small RNA mascRNA differentially regulates TLR-induced proinflammatory and antiviral responses. JCI Insight, 2021. 6(21).9. Lu, X., et al., The tRNA-like small noncoding RNA mascRNA promotes global protein translation. EMBO Rep, 2020. 21(12): p. e49684.10. Gast, M., et al., tRNA-like Transcripts from the NEAT1-MALAT1 Genomic Region Critically Influence Human Innate Immunity and Macrophage Functions. Cells, 2022. 11(24).11. Zhang, J., Recognition of the tRNA structure: Everything everywhere but not all at once. Cell Chem Biol, 2024. 31(1): p. 36-52.12. Zhang, J. and A.R. Ferré-D'Amaré, Co-crystal structure of a T-box riboswitch stem I domain in complex with its cognate tRNA. Nature, 2013. 500(7462): p. 363-6.13. Zhang, J. and A.R. Ferre-D'Amare, The tRNA Elbow in Structure, Recognition and Evolution. Life (Basel), 2016. 6(1).14. Bou-Nader, C., et al., HIV-1 matrix-tRNA complex structure reveals basis for host control of Gag localization. Cell Host Microbe, 2021. 29(9): p. 1421-1436.https://www.nature.com/articles/s41594-024-01340-4

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

End

往期精选

围观

一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）

热文

Cell | 是什么决定了细胞的大小？

热文

Nature | 2024年值得关注的七项技术

热文

Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望

热文

CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述