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GlycoRNA（糖基化RNA）是发生了糖基化修饰的小非编码RNA，包括snRNA、rRNA、snoRNA、tRNA、Y-RNA[1]以及miRNA [2]。目前尚未发现糖基化的mRNA。特别是，GlycoRNA上的N-糖基被高度唾液酸化和岩藻糖基化。GlycoRNA定位在细胞表面，并可结合重要的免疫反应调节受体Siglec（图1）。
之前的研究认为，脂质和蛋白质是会被糖基化修饰的生物大分子，RNA并不会被糖基化修饰。然而在2021年，由诺贝尔奖得主Bertozzi实验室进行的代谢标记糖类前体的实验中，发现哺乳动物小非编码RNA可以与唾液酸化的糖基连接，挑战了过去的观点，标志着在RNA和糖生物学领域取得了重大进展[1]。
图1. GlycoRNA由带有唾液酸化糖基的RNA生成，表达在细胞膜上，并由唾液酸结合免疫球蛋白型凝集素（Siglec）受体识别[1,5]。将分离的RNA的聚糖偶联于叠氮化物和二苯并环辛烷-生物素（DBCO-生物素）与偶氮化物环加成点击化学（图1）。
RNA糖基化的机制尚不完全清楚。GlycoRNA的生成依赖已有的经典N-糖基化生物合成机制[1]。缺乏N-糖基生物合成途径的ldlD突变CHO细胞和CRISPR-GALE敲除K562细胞会抑制GlycoRNA产生。外源糖基的引入可以扭转这种抑制。此外，抑制介导蛋白质N-糖基化的促寡糖转移酶（OST）也会导致GlycoRNA产量减少。糖蛋白中的N-糖基和O-糖基通常在内质网内添加，然后在高尔基体中进行额外修饰，最后被包装到囊泡中进行运输或分泌。但矛盾的是，RNA通常不定位在这些细胞亚结构中。综上所述，RNA糖基化至少在一定程度上使用与蛋白质糖基化相同的机制，但并不排除独立产生途径的存在。
糖基化连接
目前正在积极研究GlycoRNA的化学连接的确切性质。非共价连接似乎不太可能，因为glycoRNA足够稳定，可以抵抗严苛的变性条件，如有机相分离、蛋白酶K处理、基于硅的RNA纯化以及在高浓度甲酰胺中加热。glycoRNA对N糖苷酶F（PNGase F）敏感，该酶可切割糖蛋白N-糖基中天冬氨酸与邻近的N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）之间的连接。然而，天然RNA核苷酸碱基并不具有含酰胺键的连接基础。必须对RNA进行额外的鸟苷修饰才能建立与糖蛋白类似的RNA-糖基连接。另一种可能性是RNA和预装的N-糖基通过一个小的连接物（无论是肽性还是非肽性的）连接在一起。在未来的glycoRNA研究中，确定RNA-糖基连接的化学和结构性质将是至关重要的。
通过 RNA 优化的高碘酸盐氧化和醛连接方法 （rPAL）以及SWATH-MS质谱定量分析，已确定RNA 碱基 3-（3-氨基-3-羧丙基）尿嘧啶 （acp3U）修饰 是 glycoRNA 中 N-糖附着的主要位点 [7]。
图2. 通过RNA acp3U 修饰可以实现 N-糖和 RNA 之间的化学键连接 [7]。
GlycoRNA的功能和疾病
体通过细胞组分分离和免疫组化成像显示，GlycoRNA主要定位于细胞表面，并可以通过唾液酸裂解酶处理从细胞表面去除。细胞表面定位提示它们在介导细胞外互作中具有重要功能。特别是glycoRNA与唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素（Siglec）受体家族有结合亲和性，突显了它们可以作为直接配体，参与glycoRNA生成细胞与靶细胞之间的细胞粘附、细胞信号传导和免疫反应调控。此外，由于过去的研究仅限于糖脂和糖蛋白，Siglec受体家族的配体大部分仍然未知。新发现的glycoRNA可能是这些Siglec受体和其他糖结合孤儿受体长期探究的配体之一[5-6]。
长期以来，异常的蛋白质和脂质糖基化已被确认是各种人类疾病的标志特征。类似地，glycoRNA可能在疾病中破坏糖基网络。例如，在小非编码glycoRNA中，Y-RNA特别引人注目，因为它们的结合蛋白和核糖核蛋白（RNPs）是与自身免疫性疾病如系统性红斑狼疮（SLE）相关的已知抗原[1]。其他种类的glycoRNA也与癌症、心血管、神经、免疫和呼吸系统疾病密切相关。
作为治疗研究的新途径，对glycoRNA进行糖基修饰可能会影响对免疫治疗药物的反应性。设计靶向RNA序列的反义RNA是合理的药物，并且具有高度选择性。值得注意的是，这种大分子治疗方式可以与细胞外暴露在细胞表面的glycoRNA靶标发生反应，而无需考虑进入细胞的困难。应用于生物标志物方面，糖基和RNA成分可通过免疫化学和基于序列的方法检测，从而实现对疾病的高度敏感和特异性诊断与预后[3-4]。
GlycoRNA作为一种新的生物分子类别，在转录组学、表观转录组学、RNA生物学、糖生物学、细胞生物学、生物化学、信号转导、免疫学、基础生物学以及生物医学/临床科学领域具有转化潜力。Arraystar GlycoRNA 芯片可以在科研领域和临床应用中对糖基化RNA进行检测和定量。
相关服务
GlycoRNA芯片技术服务
相关综述
为什么研究GlycoRNA？
参考文献
1.Flynn RA. et al (2021) "Small RNAs are modified with N-glycans and displayed on the surface of living cells." Cell 184(12):3109-3124.e22 [PMID:34004145]
2.Li, J. et al (2024) "O-Glycosylated RNA Identification and Site-specific Prediction by Solid-phase Chemoenzymatic TnORNA method and PONglyRNA tool" bioRxiv [doi: https://doi.org/10.1101/2024.06.18.599663]
3.Angata K. et al (2020) "Glycogene Expression Profiling of Hepatic Cells by RNA-Seq Analysis for Glyco-Biomarker Identification." Front Oncol 10:1224 [PMID:32850363]
4.Nishimura S (2011) "Toward automated glycan analysis." Adv Carbohydr Chem Biochem 65:219-71 [PMID:21763513]
5.Disney MD (2021) "A glimpse at the glycoRNA world." Cell 184(12):3080-3081 [PMID:34115968]
6.Clyde D (2021) "Sugar-coated RNAs." Nat Rev Genet 22(8):480 [PMID:34168329]
7.Xie Y. et al (2024) "The modified RNA base acp(3)U is an attachment site for N-glycans in glycoRNA." Cell 187(19):5228-5237.e12 [PMID:39173631]
