[Paper Review] Regulation and functions of non-m6A mRNA modifications

📌 mRNA modifications의 종류

1. Pseudouridine ($\Psi$)

• 가장 풍부한 RNA modification
• 거의 모든 RNA 종류에서 발견됨.
• Uridine의 C5-Glycoside isomer (C5가 pentose의 C1’ atom 과 결합).
• 전체 Uridines의 0.2~0.6% 차지.
• 위치: CDS(coding sequence)와 3’ UTR에 많이 위치하며, 5’ UTR에는 잘 나타나지 않음.
• 특징: DRS(Direct RNA Sequencing)에서 U-to-C mismatch가 흔하게 나타남.

2. m6Am

• Cap-adjacent RNA modification: mRNA의 m7G cap structure 후의 첫번째 뉴클레오타이드에 주로 위치.
• m6Am이 U2 small nuclear RNA 내부에서도 한 개 발견됨 (METTL4가 메틸화).
• 비율: 전체 A 중 0.02~0.05% (m6A 중에서는 5-10%).
• 특징: 비율은 작지만, Cap에 반드시 위치하므로 조절 효과가 큼.

3. m1A

• m6A의 isomer로, tRNA와 rRNA에 존재하는 conserved modification.
• 양전하(Positive charge)를 띔.
• 알칼리성 조건에서 m6A로 전환될 수 있음 (Dimroth rearrangement).
• tRNA에는 많지만 진핵생물 mRNA에는 적음 (전체 A 중 0.01~0.05%).

4. Inosine (I)

• A-to-I RNA editing: Adenosine(A)의 -NH2(아미노기)가 제거되어 I로 바뀜.
• C와 상보결합을 이루며, 역전사(RT) 될 때는 G로 읽힘. (cDNA에서 A-to-G mismatch 발생).
• mRNA UTR의 inverted Alu repeat 안에 밀집되어 있으며, 특히 뇌 mRNA에서 많이 나타남 (뇌 발생 단계 동안 ADARs 증가).
• 3’ UTR에서 많이 나타나지만, CDS에서도 나타날 수 있음.

5. m5C

• 전체 C 중에서 0.02-0.09% 차지 (hm5C는 0.001-0.003%).
• mRNA의 CDS regions에 위치함.
• DRS에서 +1 position(m5C 바로 뒤, 3’ 방향)에서 insertion 또는 deletion 형태로 나타남.

6. ac4C

• Cytidine acetylation.

7. Nm

• 굉장히 흔한 RNA modifications 중 하나.
• mRNA에서 m7G cap과 인접한 전사 시작 자리에 위치.
• mRNA capping 과정에서, 첫 번째(혹은 두 번째) 뉴클레오타이드의 2’-O가 메틸화되어 Cap-Nm을 형성.
• mRNA와 viral RNA의 internal region, CDS regions에도 다수 존재.

8. m7G

• Pol II 전사물 중 상당수는 m7G cap을 가짐.
• Internal m7G marks는 stress 조건에서 dynamic한 조절을 겪음.
• 양전하(Positive charge)를 띔 → Protein-RNA 상호작용 조절, RNA 2차 구조 재형성.

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📊 Summary Table: Modifications in Cancer & Function

종류	기능/역할	Modifiers (Proteins)	특징	Cancer (암 관련성)
Pseudouridine ($\Psi$)	1️⃣ Stop codon read-through ($\Psi$AA, $\Psi$AG, $\Psi$GA) → PTC mutation 제거 치료 활용 가능 2️⃣ Transcript stability 조절 → Context-dependent (높이거나 낮추거나 변화 없음)	[Synthase] PUS1, PUSL1, PUS3, PUS7, PUS7L, TRUB1, TRUB2, DKC1 PUS: RNA-independent (snoRNA 불필요) DKC1: RNA-dependent (H/ACA snoRNA 가이드 필요)	전사 중(Co-transcriptionally) 발생 Alternative splicing sites와 상관관계 (splicing 효율 증대) * Pre-mRNA 3' cleavage 및 polyadenylation 영향	난소암: DKC1+SNORA70E → RAP1B mRNA $\Psi$ → 발생 촉진 다수 암: DKC1, PUS7 이상 발현 AML/교모세포종: tRFs, tRNA의 잘못된 $\Psi$가 병리학적 효과 유발
m6Am	1️⃣ mRNA Translation 억제 2️⃣ Antiviral roles (바이러스 감염 조절)	[Writer] CMTR1 (Am 생성), PCIF1 (m6Am 생성), METTL4 [Eraser] FTO (m6Am → Am)		HIV: Vpr 단백질이 PCIF1 분해 → 감염 증가 SARS-CoV-2: PCIF1은 수용체(ACE2 등) 발현 막아 감염 억제 방광암: PCIF1은 Suppressor 위암: PCIF1 과발현 시 예후 불량 (TM9SF1 억제) 대장암(CRC): FTO가 m6Am 지워 암 발병/내성 억제. PCIF1은 성장 억제 및 면역치료 반응 촉진
m1A	1️⃣ 위치에 따른 번역 조절 (양전하 때문) - CDS (Mito/Nuclear): 번역 억제 - 5' UTR: 번역 증가 2️⃣ 스트레스 시 mRNA 보호 (Heat shock → Stress granules 축적)	[Writer] TRMT6–TRMT61A (tRNA) TRMT61B-TRMT10C (Mito) [Eraser] ALKBH1, ALKBH3, FTO [Reader] YTHDF1~3, YTHDC1 (논쟁 중)	* 항체 검출 시 비특이적 결합 오류 많음 → RT mismatch 기술 사용	ALKBH3 결핍: 간세포암, 유방암, 췌장암 촉진 METTL1: 교모세포종, 간세포암 유도 주요 인자
Inosine (I)	1️⃣ Alternative splicing (ADAR2 자가 편집 AA→AI) 2️⃣ mRNA stability (miRNA 결합 부위 생성/파괴) 3️⃣ Amino acid substitution (단백질 기능 변화) 4️⃣ 번역 효율 조절 (Ribosome stalling) 5️⃣ 뇌 발달 6️⃣ Self vs Non-self 구분 (면역 회피) 7️⃣ 암 면역 반응 제한	[Writer] ADAR1, ADAR2	ADAR2 Negative feedback loop 뇌 발달/항상성 유전자에서 증가 * 자기 dsRNA에 표식하여 MDA5 공격 회피	자가면역/염증성 질환 연관 암 면역: ADAR1 결핍 시 염증 반응 활성화, 면역치료 민감도 증가 폐선암: ADAR1 과발현 → FAK1 안정화 → 침윤 촉진 간세포암: AZIN1 편집 → 종양 촉진 교모세포종: ADAR2 활동 감소가 암 증식 도움
m5C	1️⃣ mRNA 안정화 2️⃣ Nuclear Export (핵→세포질)	[Writer] NSUN2, NSUN6 [Eraser] TET1~3 (→ hm5C) [Reader] RAD52, YBX1, ALYREF	배아 초기 풍부, 발달하며 제거됨 YBX1은 모계 mRNA 보호 (Zebrafish, 초파리)	HIV-1: NSUN1은 억제, NSUN2는 촉진 항바이러스: NSUN2가 인터페론 신호 억제 암: NSUN2 (유방, 대장, 방광암 등 촉진), NSUN1 (전사/항암제 반응), NSUN3 (두경부암 전이)
ac4C	1️⃣ CDS: 번역 효율 증가 2️⃣ 5' UTR: 번역 시작 억제 (Ribosome scanning 방해) 3️⃣ Viral RNA: 안정성 및 번역 효율 증가	[Writer] NAT10
Nm	1️⃣ Coding region: 번역 억제 (Elongation 방해) 2️⃣ Splicing 연관 (Splice site 부근 위치) 3️⃣ 안정화 및 발현 증가 4️⃣ RNA therapy: 안정성/친화도 증가 5️⃣ Self 표식 (면역 회피)	[Writer] tRNA 2′-O-methyltransferases, Fibrillarin, FTSJ3-TRBP	Cap-Nm은 '자기(Self)' 표식 → IFIT1 공격 회피 HIV-1 내부 Nm은 MDA5 인식 회피
m7G	1️⃣ Internal m7G: 번역 효율 증가	[Writer] WDR4

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🔬 Epitranscriptomic Sequencing Technologies

1. Antibody-based technologies (MeRIP-seq 등)
   • (➕) 널리 사용됨 (m6A, m5C, ac4C, m7G).
   • (➖) 많은 RNA Input 필요, 낮은 특이도, Stoichiometry 정보 없음.
2. Reverse transcription signature-dependent (Mismatches, Indels, Truncations)
   • (➕) 직관적임.
   • (➖) False positive signal 발생 쉬움.
3. Enzyme-dependent sequencing
   • (➖) 효소 효율과 Sequence bias에 제한됨.
4. Chemical-assisted techniques
   • (➕) RNA 과도한 분해 방지.
   • (➕) Single-base resolution으로 완전한 정량화 가능 (m6A, $\Psi$, m5C, ac4C).

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💡 Glossary & Notes

Wobble Hypothesis (비표준 염기쌍)
tRNA의 anticodon 1번 자리(5')는 mRNA codon 3' 자리와 완벽히 표준 pairing 하지 않아도 됨 (Flexibility).

tRNA	mRNA
C	G
A	U
U	A, G
G	C, U
I (Inosine)	A, U, C
A, G	$\Psi$

CTD (C-terminal Domain of Pol II)
RNA Processing factor들을 끌어모으는 조절용 꼬리 (YSPTSPS 반복 서열).

단계	CTD 상태	불러오는 인자
Initiation	Ser5-P ↑	5′ Cap 형성 효소
Elongation	Ser2-P ↑	Splicing factor, $\Psi$ synthase
Termination	Ser2-P 지속	3′ end cleavage, Poly(A)

• Pentose: 5탄당. 번호 충돌 방지를 위해 당에는 prime(')을 붙임 (C1', C2'...).
• H/ACA snoRNA: Pseudouridine($\Psi$) 위치를 가이드. (H box / ACA box 보유).
• Alu repeat: 사람 유전체에 많은 짧은 반복 DNA 서열. Intron이나 UTR에 주로 위치.
• Seed sequence: miRNA가 mRNA를 표적할 때 핵심 인식 부위 (5' 말단 2-8번째 염기).
• Kozak sequences: 리보솜이 AUG를 인식하는 데 필수적인 번역 개시 신호.
• C/D box snoRNA: Nm(2'-O-methylation) 위치 가이드 (B box / D box 보유).
• Splicing: Branch point A의 2'-OH가 필수인데, Nm이 되면 2'-OH가 사라져 스플라이싱 차단됨.
• ICB (Immune Checkpoint Blockade): 면역관문억제제 (예: anti-PD-1). 브레이크를 풀어 T세포가 암을 공격하게 함.
• Necroptosis: 세포자멸괴사 (염증 반응 동반).