中科院PLOS发表RNA编辑新成果

 7月28日，来自中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所李轩研究组、上海巴斯德研究所郝沛研究组以及密歇根州立大学王红兵教授，在国际著名遗传学期刊《PLOS Genetics》发表一项合作研究，题为“The Landscape of A-to-I RNA Editome Is Shaped by Both Positive and Purifying Selection”。这项研究通过对多生物物种RNA编辑事件的系统发现和分析，首次揭示了RNA编辑表观遗传学位点的系统进化规律，以及其在动物神经功能和神经发育中发挥的主要作用。

自从20年前第一次被发现以来，RNA编辑已经成为多种生命形式的遗传编码变异的重要来源。RNA编辑的一个突出机制是，前体mRNA分子中腺苷的去氨基。脱氨基的事件，即A-to-I编辑，将特殊的腺苷（A）转换为肌苷（I）。在翻译中，肌苷被解码为鸟苷（G），从而导致密码子的变化，往往会引起蛋白质产物中的氨基酸替换。除了遗传再编码，A-to-I编辑已知也影响可变剪接，修改microRNA，和改变microRNA靶位点。A-to-I RNA编辑机械的主要组成部分，是作用于RNA（ADAR）家族酶的所谓的腺苷脱氨酶，ADAR酶作用于底物分子内的双链RNA（dsRNA）。关于底物靶向和编辑活性调节的细节，还是较少的；但是，有证据表明A-to-I编辑是共转录的，并且ADAR靶位点倾向于某些非随机的序列模式，并且很大程度上依赖于双链RNA的三级结构。

A-to-I RNA编辑生成的遗传变异，可扩展转录组的多样性和复杂性，它作为一个重要的机制可帮助支持关键的生物学功能。由于ADAR突变而缺乏A-to-I RNA编辑的动物模型，可导致小鼠胚胎或出生后致死，或在果蝇中显示神经缺陷。以前的研究在人类、小鼠、猴和果蝇中记录了许多A-to-I编辑靶基因。报道的编辑靶标情况，包括神经受体、离子转运蛋白和免疫反应受体。虽然多年来，科学家们都知道某些关键基因上A-to-I RNA编辑的例子，但是从进化的角度看，A-to-I编辑如何使转录组和蛋白质组多样化，以及到了何种程度，还是完全没有表征的。我们对于RNA编辑本身在进化中如何受到选择性力量的限制，还知之甚少。关于A-to-I RNA编辑提供的适应潜能，有各种不同的观点。

新一代测序技术和Model Organism ENCyclopedia Of DNA Elements (modENCODE)项目，成为模式生物的一种前所未有的资源，像果蝇和秀丽隐杆线虫，使得我们能够进行多基因组规模分析，以比较进化中的RNA编辑模式。

为了探讨RNA编辑的全景以及表征进化过程中施加在A-to-I编辑上的选择性限制，该研究小组基于modENCODE资源构建了一项研究，涉及这七种果蝇，它们有相应的参考基因组和转录组测序数据可用。该研究还补充了来自其他资源的数据，包括NCBI Sequence Read Archive (SRA)、NCBI Gene Expression Omnibus (GEO)、FlyBase和FlySNPdb数据库。

利用果蝇属作为一个模型系统——其代表了大约4500万年的进化时间，研究人员共确定了9281个A-to-I RNA编辑事件。通过与前人的研究成果，以及来自果蝇组织/发育样本或ADAR突变体的数据进行比较，并进行大规模阵列为基础的验证性实验，研究人员验证了这些事件。

通过系统发育分析，研究人员基于编辑位点的保守性，将A-to-I RNA编辑事件归类为三种不同类型。第一类位点发生在单基因家族基因上;第二类发生在多基因家族基因上，但位点不保守;第三类发生在多基因家族基因上，且位点保守。对这三类位点及其基因进行选择分析发现，第一和第二类位点均受到纯化选择(负选择)影响，而只有第三类位点受到正选择压力。重要的是，发现第三类位点高度富集于神经系统的元件和功能中。通过对这三类编辑位点进行不同组织、不同发育时期以及动物变态发育过程中的分布及变化分析，第一次发现了A-to-I RNA编辑在动物发育、交配(mating)等生理过程中动态变化的证据，进一步支持了三类不同编辑位点的重要功能。这些结果都指向神经系统功能，说明了RNA编辑表观遗传作用的适应性主要通过神经系统功能实现。神经系统功能是检验有益RNA编辑位点主要标准。以上发现，揭示了由RNA编辑表观遗传机制引入的编码可塑性，而产生一类新的二分变异。在二倍体有性生殖系统中，它是维持基因表达杂合性的一个重要机制，对克服等位杂合子分离有不可替代的优势。