GlycoRNA研究再突破!中山大学团队揭示长链RNA也存在糖基化修饰,Clier-seq技术实现精准鉴定

 

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引 言

 

RNA分子可经N-糖基化修饰后定位于细胞表面,成为一种全新的信号分子。然而,近期研究主要聚焦于长度小于200nt的小RNA(small RNA,sRNA)的N-糖基化修饰,缺乏对全转录组范围内的糖基化RNA(glycoRNA)亚型的充分研究。由于glycoRNA仅占转录组总量的极小部分,且受技术限制,过去的研究主要集中于200nt以下的sRNA,目前尚未建立精确分析更大范围的glycoRNA分布图谱。近日,中山大学曾木圣和钟茜教授团队开发了新型Clier-seq(click chemistrybased enrichment of glycoRNAs sequencing)技术,实现了全转录组范围内细胞表面glycoRNA的精准鉴定,助力RNA糖基化研究,相关成果已发表于《Science China Life Sciences》。

 

 
 
 

 
 
 

 

标题:Transcriptome-wide identification of glycoRNAs by Clier-seq pipeline

发表时间:2025/10/29

发表期刊:Science China Life Sciences

研究对象:

研究方法:Clier-seq,Clier-qPCR

文章链接:Transcriptome-wide identification of glycoRNAs by Clier-seq pipeline

 

研究摘要

 

 

RNA分子可经N-糖基化修饰后呈现在细胞表面。然而,近期研究主要聚焦于长度小于200nt的小RNA的N-糖基化修饰,而转录组范围内的糖基化RNA(glycoRNA)亚型仍缺乏充分表征。由于glycoRNA仅占转录组总量的极小部分,目前尚未建立其精确分析的验证体系。本研究旨在全面表征上皮细胞和B细胞中的全转录组糖基化RNA及新亚型。通过代谢标记与密度梯度离心技术,研究发现上皮细胞和B细胞中糖基化RNA主要集中在2000 nt以下。随后开发了Clier-seq技术(click chemistrybased enrichment of glycoRNAs sequencing),以最大化覆盖50-2000 nt范围的糖基化RNA,并采用HISAT-StringTie-Ballgown分析流程预测新糖基化RNA亚型。研究还开发了Clier-qPCR(click chemistry-based enrichment of glycoRNAs RT-qPCR)来验证候选糖基化RNA的特异性。研究证实转移RNA(tRNA)——特别是丝氨酸tRNA(tRNA(Ser))、苏氨酸tRNA(tRNA(Thr))、缬氨酸tRNA(tRNA(Val))和赖氨酸tRNA(tRNA(Lys))——是糖基化的主要靶标。此外,研究发现Vault RNA(vtRNA)中的vtRNA2-1具有糖基化特征。研究还发现了若干新型糖基化lncRNA,其长度介于200至400 nt之间。本文提出一套标准化的生物信息学分析流程,可实现全转录组范围内糖基化RNA的精准全面鉴定。

 

研究结果

 

 

01

糖基化RNA存在于上皮细胞和B细胞中

该研究为检测glycoRNA,采用Ac4ManNAz处理细胞或组织培养物,使叠氮修饰的糖基能够整合到细胞多糖中。RNA提取纯化后,采用生物素标记探针进行点击化学反应对glycoRNA进行标记。随后通过RNA印迹法检测生物素标记的glycoRNA(图1A)。结果显示,在缺乏Ac4ManNAz标记的对照组中,或仅进行Ac4ManNAz标记而未进行后续点击化学反应时,几乎未观察到斑点。仅当两种标记方法同时应用时,糖基化RNA斑点才清晰可见,这表明标记具有特异性。此外,用唾液酸酶或核糖核酸酶A处理生物素标记的RNA后,糖基化RNA斑点的强度显著降低,证实了RNA分子发生了糖基化修饰(图1B)。作者在多种细胞系(鼻咽癌细胞HK1、CNE2、HNE1,肿瘤组织NPCPDX和B淋巴瘤细胞系P3HR1、Akata、Raji)中检测到glycoRNA信号,不同细胞类型糖基化RNA水平或状态可能存在差异(图1C-E)。

为探究糖基化RNA转录本的大小,作者纯化总RNA并通过10%至50%蔗糖密度梯度进行分级分离,最终获得14个独立分级。随后对各分级样本进行RNA沉淀处理(图1F)。密度梯度离心后,通过RNA印迹分析评估回收RNA转录本的糖基化水平(图1G–I)。糖基化RNA主要集中在0-2000 nt区间,该现象在CNE2、P3HR1和HNE1细胞系中均一致存在,这表明糖基化RNA的类型比已知范围更广

图1. 上皮细胞和B细胞中的糖基化RNA

 

02

使用Clier-seq方法构建glycoRNA测序文库

该研究建立了Clier-seq分析流程(图2A-C),首先提取并纯化总RNA,随后通过蔗糖密度梯度离心法按大小分离RNA转录本,重点关注小于2000 nt的片段。通过点击化学反应将RNA标记为生物素。实验保留了INPUT样本,并通过链霉亲和素磁珠富集glycoRNA,命名为ENRICH样本,随后对两个样本进行文库构建(UMI建库)和分析(图2A)。质控后将测序reads于多种参考序列进行比对,包括EBV基因组、rRNA、tRNA、mtRNA、snRNA、Y RNA及7SL RNA。最终将未比对读段与人类基因组参考序列GRCh38进行比对(图2C)。ENRICH样本与INPUT样本获得的reads数相对一致,其中超过93%的reads成功映射至目标基因组。

该标准化高效文库构建流程可在单日内完成富集至文库构建的全流程,实现糖基化RNA的快速检测。该研究成功保留了先前鉴定的大多数糖基化RNA候选转录本(大小介于50至200 nt的小非编码RNA),同时捕获了更多lncRNA和mRNA转录本。

图2. Clier-seq分析流程示意图

 

03

通过HISAT-StringTie-Ballgown分析流程鉴定糖基化RNA

数据分析结果显示,部分富集的糖基化RNA转录本位于基因组未注释区域。此外,原论文(Flynn等,2021)存在若干问题:(i)比对率偏低;(ii)将单端比对方法错误应用于配对双端数据;(iii)在未进行标准化处理的情况下直接对原始reads计数进行差异分析。这些缺陷促使作者探索糖基化RNA分析的替代方法。为解决这些问题并全面鉴定糖基化RNA,该研究采用了HISAT2、StringTie和Ballgown工具(图2C),系统性修正了原论文中的问题。

火山图展示了ENRICH组中显著富集的RNA转录本,其中富集程度最高的转录本以红色标注于图谱的正倍比变化。值得注意的是,许多转录本未被注释由StringTie预测获得,表明存在先前未识别的糖基化RNA(图3A)。Ac4ManNAz标记细胞相较于INPUT组及阴性对照组(未标记Ac4ManNAz样本)均呈现表达峰值。这些峰值在不同细胞类型中具有一致性,且保持了序列保真度(图3B)。这些发现强调了转录本组装与预测在不同样本中识别糖基化RNA的重要性。研究还使用MACS2识别富集reads的糖基化位点对应区域,MACS2鉴定的转录本与HISAT-StringTie-Ballgown流程结果一致,进一步验证了该方法(图3C,D)。

图3. 通过Clier-seq分析流程鉴定glycoRNA

 

04

Clier-qPCR法验证候选glycoRNA的特异性

通过Clier-qPCR方法,作者证实了MSTRG.7832、MSTRG.5930和MSTRG.18836在P3HR1、Akata和CNE2细胞系中显著富集,且具有特别高的富集倍数(图3E)。当用RNase A处理P3HR1细胞表面RNA时,糖基化RNA信号完全消失(图3F)。该实验验证了HISAT-StringTie预测转录本中存在糖基化修饰。

研究使用ARPLA方法(唾液酸适配体与RNA原位杂交介导的邻近连接测定法)进一步验证糖基化状态,ARPLA采用双重识别系统,由唾液酸特异性适配体(靶向Neu5Ac)与RNA原位杂交(RISH)探针组成。该方法仅能检测共价糖基化的RNA,因为只有当适配体与RISH探针同时结合同一RNA分子时,邻近连接反应才会发生。并应用GlyinsRNA预测潜在的N-糖基化位点。这些预测的糖基化位点(红色标记)被映射到RNA二级结构上,从而强化了糖基修饰存在的证据。

综上所述,Clier-seq分析流程整合了三个模块,建立了糖基化RNA分析的标准化工作流程。这三个模块包括:(i) Clier-seq用于文库制备和测序;(ii) HISAT-StringTie-Ballgown流程用于生物信息学分析;(iii) Clier-qPCR用于转录本检测和验证。该工作流程能够在全转录组层面实现糖基化RNA的全面精准鉴定。

 

05

糖基化修饰的RNA亚型在全转录组范围内的分析

作者根据NCBI基因类型与状态、GeneCards分类等因素,将比对至基因组参考序列的RNA转录本划分为六类(排除tRNA、mtRNA、rRNA、snRNA、Y RNA及7SL RNA)。具体分类如下:(i) ncRNA(不含snoRNA),(ii) 未注释的RNA转录本(StringTie预测),(iii) 假基因及其他转录本,(iv) 蛋白质编码RNA,(v) 核糖体蛋白mRNA(RP mRNA),(vi) snoRNA。

对所有样本做火山图分析显示,Ac4ManNAz富集的转录本主要归属于未注释转录本类别(图4A),该结果与图3A所示一致。此外,通过Clier-qPCR技术在ncRNA、假基因和蛋白编码基因类别中鉴定并验证了若干高度富集的转录本,其中MSTRG.7832作为Clier-qPCR检测的阳性对照。vtRNA2-1富集程度最高(图4B)。Clier-qPCR验证了vtRNA2-1在P3HR1和CNE2细胞中高度富集,但在Akata细胞中未见富集(图4B和C),这可能与其在Akata细胞中的低表达水平有关(仅为P3HR1细胞的1/230)(图4D)。与Clier-qPCR结果一致,IGV图谱同样显示vtRNA2-1在P3HR1、Raji和CNE2细胞中特异性富集(图4E)。这些结果表明,vtRNA可能是糖基化修饰的候选靶标。

该研究发现了三个新glycoRNA(均由StringTie预测,图3A),用CPAT预测RNA编码潜力发现,这些转录本编码潜力较低且长度超过200 nt,命名为linc03118、linc03119和USP43-OT(图4F),这证实了lncRNA中存在糖基化现象

图4. 6类RNA转录本中glycoRNA的鉴定

 

06

tRNA是糖基化RNA的主要亚型

作者还对最初排除在比对之外的RNA转录本(如snRNA、Y RNA、7SL RNA、tRNA和mtRNA)进行了富集分析。值得注意的是,在火山图(图5A)中观察到tRNA转录本的富集现象,包括tRNA-Ser-GCT-4-2、tRNA-Thr-AGT-1-1和tRNA-Lys-TTT-7-1。为消除tRNA文库制备和测序过程中的偏倚,作者通过Clier-qPCR技术对目标转录本进行验证,结果证实其丰度显著高于阴性对照样本(图5B)。

研究通过IGV进一步分析了这些富集的tRNA转录本,其中同源成熟tRNA以蓝色(阳性)或红色(阴性)线条标注。分析显示,糖基化tRNA在所有细胞类型中均呈富集状态。部分tRNA的3′端比成熟tRNA更长(图5C)。为深入探究,研究对前体tRNA进行了Clier-qPCR检测。pretRNA-Lys-TTT-7-1、pretRNA-Val-CAC-3-1、pretRNA-AGT-1-1及pretRNA-Val-CAC-1-2等转录本在P3HR1、CNE2和Akata细胞中显著富集(图5D)。此外,前体tRNA的富集倍数显著高于成熟tRNA(图5E),表明tRNA糖基化可能也发生在前体tRNA阶段。

图5. tRNA糖基化分析

 

全文小结

 

 

1. 该研究扩大了glycoRNA的检测范围(0-2000 nt),在全转录组范围内发现了新类型的glycoRNA。

2. 许多glycoRNA来自新预测的转录本。

3. HISAT-StringTie-Ballgown分析流程结合Clier-qPCR的方法学有效解决了转录本短、比对率低及生物素探针非特异性结合等问题。该标准化流程为全转录组范围内的糖基化研究提供了重要工具。

4. tRNA是糖基化RNA的主要亚型,糖基化可能发生在tRNA成熟早期阶段。

 

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创建时间:2025-11-25 10:42

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