tRNAのユニークな特徴の1つは、修飾塩基の存在です。一部のtRNAでは、修飾塩基が分子内の全塩基の約20%を占めています。全体として、これらの珍しい塩基は、RNaseによる酵素分解からtRNAを保護します。

これらの化学修飾のそれぞれは、転写後、特定の酵素によって運ばれます。これらの酵素はすべて、独自の塩基特異性と部位特異性を持っています。最も一般的な化学修飾であるメチル化は、少なくとも9つの異なる酵素によって運ばれ、そのうち3つは異なる位置でのグアニンのメチル化専用です。

これらの修飾塩基の性質と位置は種特異的です。したがって、真核生物または原核生物に限定されたいくつかの塩基があります。例えば、アデニンのチオリン化は原核生物でのみ観察されますが、シトシンのメチル化は真核生物に限定されます。全体として、真核生物のtRNAは原核生物のtRNAよりも大幅に修飾されています。

修飾の性質はさまざまですが、tRNAの一部の領域は常に大幅に修飾されています。tRNAの3つのステムループ領域または「アーム」のそれぞれは、独自の目的を果たす修飾塩基を持っています。ヌクレオチド、チミン、シュードウリジン、シトシンの存在にちなんで名付けられたTΨCアームは、翻訳中にリボソームによって認識されます。修飾ピリミジンジヒドロウラシルを含むDHUまたはDアームは、アミノアシルtRNA合成酵素の認識部位として機能し、tRNAへのアミノ酸の共有結合付加を触媒します。アンチコドンループは、多くの場合、修飾されたグアニンであるキューインベースを持っています。この塩基は、mRNA上のコドン配列とWobbleペアを形成します、つまり、Watson-Crick塩基対のルールに従わない塩基対を形成します。通常、tRNAはコドンの3番目の位置でmRNAにより「緩やかに」結合します。これにより、いくつかのタイプの非 Watson-Crick ベース ペアまたは 3 番目のコドン位置に Wobble ベースが可能になります。アンチコドンの最初の位置にキューインが存在すると、コドンの3番目の位置と対になるため、tRNAの翻訳精度が向上することが観察されています。