SCLS | 中科大张凯铭/李珊珊团队与龚庆国团队联合解析RNA甲基转移酶NSUN2识别与重塑底物tRNA的分子机制
RNA修饰被誉为生命活动中的“隐形密码”，通过在RNA分子上添加特定的化学标记，精细调控着基因表达与细胞命运。在真核生物广泛存在的众多RNA修饰中，5-甲基胞嘧啶（m⁵C）修饰占据着重要地位，它不仅参与基因表达调控，更与神经发育、应激响应以及肿瘤的发生发展密切相关。然而，作为催化该修饰的核心酶，NSUN2是如何在众多RNA分子中准确识别靶标并完成修饰的，一直是RNA生物学领域亟待解决的关键科学问题。
2026年5月26日，Science China Life Sciences(《中国科学：生命科学》英文版)在线发表中国科学技术大学张凯铭/李珊珊团队与龚庆国团队合作撰写的题为“Structure-driven RNA remodeling underlies broad substrate recognition by NSUN2”的研究论文，该工作综合运用X射线晶体学、单颗粒冷冻电子显微镜以及生化分析等技术，成功解析了人源RNA甲基转移酶NSUN2在无底物状态，以及结合不同tRNA底物状态下的高分辨率三维结构，揭示了NSUN2通过主动重塑RNA结构实现广谱底物识别的分子机制。值得关注的是，5月27日，国际同行也在Nature上报道了NSUN2底物选择性的相关结构研究，进一步凸显了该领域受到的广泛关注。
双结构域协同：NSUN2对tRNA的锚定与捕获在NSUN家族中，NSUN2拥有广泛的底物谱系（包括成熟tRNA、前体tRNA以及mRNA等），但其广谱识别的结构基础长期悬而未决。为此，研究团队利用催化位点突变体，成功捕获了NSUN2与多种不同tRNA底物（tRNATyr、tRNALys以及pre-tRNALeu）形成的稳定中间态复合物。结构分析表明，NSUN2主要依赖其N端的MTase结构域与C端的PUA-like结构域协同完成对底物的识别：前者负责碱基识别和催化，后者负责锚定tRNA并稳定结合。值得注意的是，当NSUN2结合tRNA后，其催化中心附近的螺旋区域会向内靠近，形成更加紧凑识别口袋，同时多个关键催化残基侧链重排调整取向，向活性中心靠近，为后续甲基化反应做足准备。
结构驱动型识别：主动重塑tRNA构象在天然状态下，tRNA呈现经典的“L”形三维结构，其修饰靶位点C48深埋于RNA内部。研究团队发现，NSUN2并非被动等待靶位点暴露，而是主动驱动底物发生大规模构象重排：促使tRNA的T臂向外翻转，由闭合构象转变为更加开放的构象，破坏原有的水平堆积作用；进一步促使原本埋藏的C48发生“碱基翻转”并暴露出来，精准送入NSUN2的催化中心。生化实验进一步证实，即使破坏了维持tRNA经典L形构象的关键相互作用，NSUN2仍能正常结合并修饰tRNA。这一结果证明了该酶的识别过程更依赖于底物的局部结构特征，而非完整的L形构象，从而揭示了一种由酶自身保持相对稳定、却主动诱导RNA发生适应性构象变化的“结构驱动型”精准修饰模式。
广谱tRNA底物识别机制：依赖保守tRNA结构特征而非严格序列通过对比NSUN2与多种不同tRNA底物的复合物结构，研究团队发现，尽管这些tRNA在序列、长度上存在明显差异，但它们与NSUN2结合时均采用高度相似的构象和结合方式。NSUN2的结合界面主要聚焦于tRNA所共有的受体臂、T臂和可变环等保守结构元件，而非依赖于严格的序列基序。这种对共有拓扑结构的普适性识别，为NSUN2广谱底物识别能力提供了合理解释。基于上述“结构驱动”的普适规律，研究者成功设计并构建了最小化的“小型类tRNA（small tRNA-mimic）”底物。实验结果表明，仅保留受体臂、T臂及可变环，即可维持高效的甲基化反应，优化后的体系催化活性高达野生型的88%左右。这一工程化设计不仅阐明了NSUN2的保守相互作用界面，也暗示了其修饰具有相似局部结构的mRNA和lncRNA的潜在机制。
明确pre-tRNA的“首选修饰位点”有趣的是，尽管此前有报道称NSUN2主要负责前体tRNALeu第34位点的修饰，但该研究的高分辨率冷冻电镜结构清晰显示，C48位点是其在复合体中的主要占据点。后续生化实验进一步证实，虽然NSUN2兼具修饰两个位点的能力，但在催化效率上对C48位点表现出了更为显著的修饰偏好性。综上，该研究通过捕捉NSUN2在催化前后的不同动态，建立底物识别与催化模型。这一发现解释了NSUN2如何通过识别tRNA的保守结构特征而非特定序列来维持广谱的底物修饰能力。
RNA修饰被誉为生命活动中的“隐形密码”，通过在RNA分子上添加特定的化学标记，精细调控着基因表达与细胞命运。在真核生物广泛存在的众多RNA修饰中，5-甲基胞嘧啶（m⁵C）修饰占据着重要地位，它不仅参与基因表达调控，更与神经发育、应激响应以及肿瘤的发生发展密切相关。然而，作为催化该修饰的核心酶，NSUN2是如何在众多RNA分子中准确识别靶标并完成修饰的，一直是RNA生物学领域亟待解决的关键科学问题。
2026年5月26日，Science China Life Sciences(《中国科学：生命科学》英文版)在线发表中国科学技术大学张凯铭/李珊珊团队与龚庆国团队合作撰写的题为“Structure-driven RNA remodeling underlies broad substrate recognition by NSUN2”的研究论文，该工作综合运用X射线晶体学、单颗粒冷冻电子显微镜以及生化分析等技术，成功解析了人源RNA甲基转移酶NSUN2在无底物状态，以及结合不同tRNA底物状态下的高分辨率三维结构，揭示了NSUN2通过主动重塑RNA结构实现广谱底物识别的分子机制。值得关注的是，5月27日，国际同行也在Nature上报道了NSUN2底物选择性的相关结构研究，进一步凸显了该领域受到的广泛关注。
双结构域协同：NSUN2对tRNA的锚定与捕获在NSUN家族中，NSUN2拥有广泛的底物谱系（包括成熟tRNA、前体tRNA以及mRNA等），但其广谱识别的结构基础长期悬而未决。为此，研究团队利用催化位点突变体，成功捕获了NSUN2与多种不同tRNA底物（tRNATyr、tRNALys以及pre-tRNALeu）形成的稳定中间态复合物。结构分析表明，NSUN2主要依赖其N端的MTase结构域与C端的PUA-like结构域协同完成对底物的识别：前者负责碱基识别和催化，后者负责锚定tRNA并稳定结合。值得注意的是，当NSUN2结合tRNA后，其催化中心附近的螺旋区域会向内靠近，形成更加紧凑识别口袋，同时多个关键催化残基侧链重排调整取向，向活性中心靠近，为后续甲基化反应做足准备。
结构驱动型识别：主动重塑tRNA构象在天然状态下，tRNA呈现经典的“L”形三维结构，其修饰靶位点C48深埋于RNA内部。研究团队发现，NSUN2并非被动等待靶位点暴露，而是主动驱动底物发生大规模构象重排：促使tRNA的T臂向外翻转，由闭合构象转变为更加开放的构象，破坏原有的水平堆积作用；进一步促使原本埋藏的C48发生“碱基翻转”并暴露出来，精准送入NSUN2的催化中心。生化实验进一步证实，即使破坏了维持tRNA经典L形构象的关键相互作用，NSUN2仍能正常结合并修饰tRNA。这一结果证明了该酶的识别过程更依赖于底物的局部结构特征，而非完整的L形构象，从而揭示了一种由酶自身保持相对稳定、却主动诱导RNA发生适应性构象变化的“结构驱动型”精准修饰模式。
广谱tRNA底物识别机制：依赖保守tRNA结构特征而非严格序列通过对比NSUN2与多种不同tRNA底物的复合物结构，研究团队发现，尽管这些tRNA在序列、长度上存在明显差异，但它们与NSUN2结合时均采用高度相似的构象和结合方式。NSUN2的结合界面主要聚焦于tRNA所共有的受体臂、T臂和可变环等保守结构元件，而非依赖于严格的序列基序。这种对共有拓扑结构的普适性识别，为NSUN2广谱底物识别能力提供了合理解释。基于上述“结构驱动”的普适规律，研究者成功设计并构建了最小化的“小型类tRNA（small tRNA-mimic）”底物。实验结果表明，仅保留受体臂、T臂及可变环，即可维持高效的甲基化反应，优化后的体系催化活性高达野生型的88%左右。这一工程化设计不仅阐明了NSUN2的保守相互作用界面，也暗示了其修饰具有相似局部结构的mRNA和lncRNA的潜在机制。
明确pre-tRNA的“首选修饰位点”有趣的是，尽管此前有报道称NSUN2主要负责前体tRNALeu第34位点的修饰，但该研究的高分辨率冷冻电镜结构清晰显示，C48位点是其在复合体中的主要占据点。后续生化实验进一步证实，虽然NSUN2兼具修饰两个位点的能力，但在催化效率上对C48位点表现出了更为显著的修饰偏好性。综上，该研究通过捕捉NSUN2在催化前后的不同动态，建立底物识别与催化模型。这一发现解释了NSUN2如何通过识别tRNA的保守结构特征而非特定序列来维持广谱的底物修饰能力。
