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。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。

　　

生物通报道：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。点击阅读RNA相关研究：中山大学等开发RNA编辑新工具；RNA编辑如何促进肿瘤生长？；RNA编辑技术治疗严重罕见病。

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。

想了解Clontech MirTrap系统如何轻松捕获microRNA的靶标请填写联系方式

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。

（生物通：王英）

注：  李轩，研究员、博士生导师。1988年 获北京大学生物系学士学位；1996年 获美国 St Louis University 生物化学博士学位；1997-2000年 美国 Duke University 博士后；2002年 获美国 North Carolina State University 计算机工程硕士学位。研究工作包括：生物信息研究组开展生物信息学和系统生物学的应用研究，科研工作主要方向包括：组学数据整合及Meta分析的算法研究， 植物、微生物和昆虫的功能基因组分析和进化比较研究，基因调控网络及小分子扰动的建模分析，以及蛋白质三级结构建模和分子动态模拟。

郝沛，中科院上海巴斯德研究所研究员。2012-至今 中国科学院上海巴斯德研究所病源诊断技术研发中心生物信息学平台研究组长，研究员；2010 赛诺菲安万特-上海生命科学研究院青年人才奖；2009 中科院卢嘉锡青年人才奖；2006 明治乳业生命科学奖；2005 上海市自然科学一等奖；2004 上海市青年科技启明星。

生物通推荐原文摘要：
The Landscape of A-to-I RNA Editome Is Shaped by Both Positive and Purifying Selection
Abstract：The hydrolytic deamination of adenosine to inosine (A-to-I editing) in precursor mRNA induces variable gene products at the post-transcription level. How and to what extent A-to-I RNA editing diversifies transcriptome is not fully characterized in the evolution, and very little is known about the selective constraints that drive the evolution of RNA editing events. Here we present a study on A-to-I RNA editing, by generating a global profile of A-to-I editing for a phylogeny of seven Drosophila species, a model system spanning an evolutionary timeframe of approximately 45 million years. Of totally 9281 editing events identified, 5150 (55.5%) are located in the coding sequences (CDS) of 2734 genes. Phylogenetic analysis places these genes into 1,526 homologous families, about 5% of total gene families in the fly lineages. Based on conservation of the editing sites, the editing events in CDS are categorized into three distinct types, representing events on singleton genes (type I), and events not conserved (type II) or conserved (type III) within multi-gene families. While both type I and II events are subject to purifying selection, notably type III events are positively selected, and highly enriched in the components and functions of the nervous system. The tissue profiles are documented for three editing types, and their critical roles are further implicated by their shifting patterns during holometabolous development and in post-mating response. In conclusion, three A-to-I RNA editing types are found to have distinct evolutionary dynamics. It appears that nervous system functions are mainly tested to determine if an A-to-I editing is beneficial for an organism. The coding plasticity enabled by A-to-I editing creates a new class of binary variations, which is a superior alternative to maintain heterozygosity of expressed genes in a diploid mating system.