PNAS丨tRNA-seq应用：拟南芥tRNA尿苷硫修饰缺失影响mRNA翻译、蛋白质生成与代谢物积累

生物体必须感知环境中的营养状况并相应地调节代谢输出以维持生存。将营养状态与蛋白质翻译过程相偶联是实现这一调节的关键机制之一。

mRNA的转录后修饰（即表观转录组学修饰）已被证实能影响mRNA的成熟、稳定性、输出及翻译潜力。tRNA的表观转录组学修饰最初被认为是静态的化学修饰，但近期研究表明这些修饰会随环境和营养条件发生动态变化。

tRNA反密码子环摆动位置（U34）的修饰在细菌、古菌和真核生物中高度保守，对解码效率至关重要。尽管已有研究探讨了U34修饰对翻译的影响，但其如何通过调节翻译来响应生理条件并调控代谢过程，仍是当前分子生物学领域亟待深入研究的课题。

2026年10月20日，法国佩皮尼昂大学Jean-Marc Deragon团队在PNAS上发表了题为“Loss of tRNA uridine thiolation affects mRNA translation, protein production, and metabolite accumulation in Arabidopsis”的研究论文。本研究发现摆动尿苷（U34）硫代修饰的缺失会导致核糖体在AAA、GAA和CAA密码子处的解码能力受损，引发显著的翻译延伸暂停。这种翻译层面的抑制直接降低了富含上述密码子的蛋白质产量，进而触发了植物硫代谢、氨基酸合成及碳氮平衡的全局性重塑。

文章索引

【标题】Loss of tRNA uridine thiolation affects mRNA translation, protein production, and metabolite accumulation in Arabidopsis

【发表期刊】PNAS

【发表日期】2026年10月20日

【作者及团队】法国佩皮尼昂大学Jean-Marc Deragon团队

【IF】9.5

研究结果

一、U34位硫代修饰是反密码子环其他位点发生正常修饰的前提条件

^{研究者利用液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）技术分析了纯化的tRNALys(UUU)和tRNAGln(UUG)，发现当ctu1或ctu2突变导致U34硫代缺失时，第32位的2‘-O-甲基胞苷（Cm）和第37位的修饰也会受到显著影响。}

tRNA-seq和核糖核酸甲基化测序（RiboMeth-Seq）进一步证实，硫代修饰的丧失改变了反密码子环的整体修饰景观，但并未显著改变tRNA的全局稳态丰度。

二、硫代修饰缺失导致核糖体在特定密码子上发生翻译暂停

通过Polysome profiling多聚核糖体分析和5’P末端降解组测序（5’ P-seq）技术，研究者评估了核糖体的动态行为。

5’ P-seq的元基因分析显示，在ctu2突变体的芽和根组织中，AAA、GAA和CAA密码子上游16-17个核苷酸处的mRNA碎片显著富集，证明硫代修饰缺失直接导致了核糖体在这些密码子处的翻译延伸暂停。

三、翻译速率的改变导致富含特定密码子的蛋白质产量下降

定量蛋白质组学分析发现，在ctu2突变体中下调的蛋白其编码mRNA显著富含AAA、GAA和CAA密码子，而上调的蛋白则表现出相反特征。

结合RNA-seq分析表明，这些蛋白质水平的差异并非源于mRNA水平的波动，证实了tRNA修饰介导的翻译控制是决定蛋白产量的核心因素。

四、tRNA修饰缺失引发植物硫代谢途径的重编程

通过GO富集分析显示，受影响的蛋白主要参与硫代葡萄糖苷生物合成、谷胱甘肽代谢和通用硫代谢过程。

实验观察到相关生物合成酶在ctu2突变体芽中累积但在根中减少，这种器官特异性的蛋白水平变化揭示了tRNA硫代修饰对维持植物硫稳态的关键作用。

五、代谢组分析显示氨基酸水平下降及碳氮失衡

利用气相色谱质谱联用（GC-MS）技术检测发现，ctu2突变体叶片中大多数游离氨基酸含量显著降低，同时伴随着硝酸盐含量的减少和糖类（如蔗糖、果糖）的累积。

这表明tRNA硫代缺失导致的翻译障碍反馈影响了植物的初级代谢，导致了严重的碳氮平衡紊乱。

六、摆动尿苷硫代修饰对于植物应对环境压力和微生物互作不可或缺

生理实验证明，ctu1、ctu2及trm9突变体在硫缺乏条件下的适应能力变差，且无法有效利用植物促生菌进行生长优化。

此外，在应对病原菌挑战时，突变体产生的硫代植物防御素（如山芥酚）显著减少，表明U34位修饰对于植物免疫和生态互动具有深远影响。

总结

本研究利用翻译组学、蛋白质组学和代谢组学手段，证明拟南芥tRNA U34硫醇化通过影响密码子特异性核糖体延伸效率广泛调控蛋白质生成与代谢物积累。该机制不仅维持硫稳态和氨基酸平衡，还影响植物在硫缺乏条件下的生长调整以及病原菌和促生菌互作，提示tRNA表观转录组修饰在植物营养感知和防御中具有主动调控功能。