背景：
m1A58是一种常见的tRNA修饰，可影响蛋白质的翻译效率。近期有研究揭示了tRNA甲基化通过增强关键转录因子Myc的翻译来调控体内T细胞活化。
简介：
2022年10月23日，来自澳大利亚沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所的Julia M. Marchingo教授课题组在Nature Immunology（IF: 20.479）杂志上发表题为“tRNA methylation - a new level of control for T cell immunity”的文章[1]。
主要结果：
T细胞活化的一个基本要求是能够大量翻译数百万拷贝的新蛋白以驱动细胞生长和增殖。近年来，人们已经清楚，mRNAs的转录后控制和蛋白翻译起始的选择性控制对T细胞应答的质量有影响。然而，蛋白质翻译的其他步骤和其他类型的RNA在转录后塑造T细胞应答的潜力几乎完全未被探索。在本期《自然免疫学》(Nature Immunology)杂志上，Liu等人证明了一种未得到充分重视的RNA形式转移RNA (tRNA)的作用，证明tRNA甲基化可选择性地增强蛋白质翻译，从而在体内条件下驱动T细胞增殖。
T细胞活化诱导氨基酸摄取的快速增加，以提供蛋白质合成的大规模增加所需的组成部分。氨基酸如何在蛋白质合成中从摄取到使用，经常被认为是一个单纯的管家过程;然而，在这个步骤中包含了许多级别的选择控制。为了被用于蛋白质合成，氨基酸必须首先被装载到tRNAs上，这些tRNAs通过翻译延伸因子被运送到核糖体，并与一个不断增长的多肽链结合。对于翻译成蛋白质的mRNA中的每个密码子，至少有一个tRNA包含匹配的反密码子和相应的氨基酸。值得注意的是，基因组编码数百个tRNAs，并不是每个细胞都被转录，对于20个蛋白质编码氨基酸中的每一个，都可能有多个具有不同反密码子(由于遗传密码的简并性)和序列其他区域多样性的tRNAs。此外，tRNA是高度修饰的，例如通过甲基化和假尿苷基化，每个典型的人类tRNA平均约有13个修饰。这些tRNA序列和修饰的差异可以调节tRNA生物学的许多方面，包括tRNA的稳定性和它们与翻译机制相互作用的效率。tRNA修饰和加工酶的失调或突变与多种人类疾病有关，包括癌症、2型糖尿病和智力障碍。
因此，选择性调节tRNAs以增强或抑制T细胞功能具有巨大的调控潜力。这种调节潜能在多大程度上在T细胞反应中实现，直到现在还是一个巨大的未知。T细胞在免疫应答过程中改变它们的tRNA组成吗?T细胞是否控制不同tRNA修饰水平?这些在功能上塑造了T细胞反应吗?Liu等人在这项研究中给出的答案对所有这些问题都是明确的“是”。
先前对癌症和干细胞的研究发现，与静止分化的细胞状态相比，tRNA特征在增殖细胞中富集。Rak及其同事最近的一项研究表明，在T细胞活化24-48小时后，T细胞在tRNA组成中表现出相同的促增殖开关。Liu等人现在补充了这些发现，他们发现tRNA丰度和组成甚至在小鼠CD4+ T细胞活化的早期就受到控制，6小时的T细胞抗原受体(TCR)活化足以诱导特定的tRNA亚群，并且在活化6、18和48小时后发现了不同的tRNA表达模式。引人注目的是，作者发现，在T细胞活化6和18小时后被高度诱导的tRNAs亚群也表现出更高的N1 -甲基腺苷修饰丰度，这最常见于位置58 (m1A58)。他们还观察到，在T细胞活化后数小时内，Trmt61a和Trmt6(形成甲基转移酶复合物，生成m1A58)被强烈诱导。m1A58修饰可以稳定tRNA与延伸因子EF-1A的相互作用，从而有效地募集到核糖体。
图1：提出的模型:tRNA中的m1A58选择性地增加Myc mRNA翻译从而增强T细胞活化
是Trmt61a和Trmt6的增加进一步提高了具有这种修饰的tRNA的比例，还是随着tRNA数量的增加，需要维持m1A58修饰的水平?Liu等人和Rak及其同事的数据表明，具有m1A58修饰的tRNA比例在现有的tRNA群体中保持在相同的水平，在一个特定的tRNA中也是如此。事实上，Liu等人表明，这种修饰速率不仅在T细胞活化时间点保持恒定速率，而且在多种不同器官类型的细胞中也保持恒定速率。然而，在活化的T细胞中，Trmt61a的缺失显著降低了m1A58修饰的频率，而不影响tRNA的相对丰度。因此，Liu等人的数据支持一个模型，即T细胞活化过程中需要Trmt61a诱导来维持固定的m1A58修饰水平，因为具有高m1A58的tRNAs丰度选择性增加。
为什么T细胞在活化过程中会选择性地增加高水平m1A58修饰的tRNAs ?这些tRNAs的富集是否会对T细胞应答产生功能差异?Liu等利用结肠炎的T细胞介导过继转移模型验证了这一点。他们发现，当转移到淋巴细胞减少的宿主时，Trmt61a缺陷的T细胞不会发生稳态增殖，因此不能诱导结肠炎。扩散失败的原因是什么?一些正交技术表明，在体外TCR激活的Trmt61a缺陷T细胞中，一组蛋白质的翻译效率较低，其中一个蛋白质是关键的转录因子Myc。
Myc表达已被证实是T细胞活化和增殖的关键定量决定因素，因此Myc翻译减少是增殖缺陷的一个强有力的候选原因。但Myc的表达对许多外部信号和环境因素敏感，因此，蛋白表达的降低可能是通过间接机制发生的，而不是m1A58-tRNA对Myc翻译效率的直接影响。Liu等人确定Myc mRNA富含与m1A58高水平tRNA对应的丝氨酸和亮氨酸密码子，并且他们制作了慢病毒构建体，其中使用野生型密码子，或者将所有这些密码子转换为另一组不同的丝氨酸和亮氨酸密码子，其中对应的tRNA的m1A58修饰率较低。因此，这些结构体编码完全相同的Myc蛋白，但需要不同的tRNA组合来制造它。当作者在Trmt61a野生型和Trmt61a缺陷型T细胞中异位表达两个版本的Myc时，结果令人惊讶:只有密码子切换的结构在野生型和Trmt61a缺陷型T细胞中产生相同水平的Myc蛋白，而野生型密码子Myc结构在Trmt61a缺陷型T细胞中产生的蛋白仍然减少。因此，Myc mRNA的密码子组成使其对m1A58修饰的tRNA的翻译控制特别敏感。m1A58修饰的tRNA亚群与Myc mRNA的同步增加为Myc蛋白的快速翻译创造了一个最佳的环境，从而增强了T细胞的活化。
Myc并不是翻译对Trmt61a缺陷敏感的唯一mRNA，但有趣的是，这种作用相当特异，在6小时TCR激活的T细胞中仅影响约100种蛋白。Liu等发现几种活化诱导和细胞周期相关蛋白在翻译上对Trmt61a缺陷敏感，支持m1A58在增强T细胞活化和增殖中的作用。然而，值得注意的是，在研究中发现的翻译差异最大的例子之一，GTP酶RhoA的表达已经对初始T细胞的Trmt61a缺乏敏感。因此，T细胞活化不是Trmt61a缺陷选择性调节的先决条件，m1A58 - tRNAs密码子使用率较高的mRNAs翻译在所有状态下都可能受到影响。
结论和展望：
Liu等人的工作为以前未被重视的T细胞活化过程中的生物控制水平提供了令人兴奋的新见解。密码子优化是为了提高合成工程蛋白如嵌合抗原T细胞受体(chimeric antigen T cell receptors, CARs)的表达而采取的策略。大自然使用了一种更复杂的策略—调控tRNA的组成和某些mRNAs的密码子使用，从而选择性地增强或减少特定蛋白质的产生。从这项研究中可以清楚地看出，tRNA的组成和tRNA的修饰不仅仅是整体上增加或减少翻译的管家过程，而是翻译机制在T细胞行为中形成有功能意义的改变的整体机制。这项工作聚焦于tRNA修饰酶，特别是Trmt61a和Trmt6，作为选择性地控制特定蛋白(如Myc)的转录后表达的潜在靶点，而Myc是一个重要但具有挑战性的药物靶点。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41590-022-01317-9
参考文献：
[1] Marchingo JM. tRNA methylation - a new level of control for T cell immunity. Nat Immunol. 2022 Oct;23(10):1401-1402. doi: 10.1038/s41590-022-01317-9. PMID: 36168063.
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