轉(zhuǎn)錄組的重編寫：RNA編輯

前 言

基因的功能探索是生命科學(xué)研究的永恒主題。近幾年以CRISPR-Cas9技術(shù)的發(fā)展讓直接在高等生物體內(nèi)進(jìn)行基因的功能研究成為可能。但除了DNA之外， DNA的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物--RNA在生命活動中也發(fā)揮著極其重要的作用，且與癌癥等多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。因此，對RNA進(jìn)行功能研究和錯誤RNA的糾正，成為了科學(xué)界的新一大熱點(diǎn)。特別是前2個月，北京大學(xué)和MIT分別在Nature Biotechnology與Science上發(fā)文，提出了名為“LEAPER”的A-to-I RNA編輯工具[1]和名為“RESCUE”的C-to-U RNA編輯器[2]，被Nature Reviews Genetics和Nature Reviews Drug Discovery兩篇雜志分別點(diǎn)評是“拓寬了RNA單堿基編輯器的選擇”[3]和“拓展了RNA編輯的工具箱”[4]，在業(yè)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注與討論，進(jìn)一步打開了我們深入認(rèn)識RNA的大門。

那么，RNA編輯是什么？我們又是怎樣實(shí)現(xiàn)對RNA進(jìn)行編輯的呢？接下來這幾期的公眾號文章，小編就帶著大家走入RNA編輯這個新的熱點(diǎn)領(lǐng)域，看一看在轉(zhuǎn)錄組的水平，神奇的編輯工具是怎么大展身手的。首先，讓我們從RNA編輯的原理開始講起。

01、翻譯前RNA水平調(diào)控

相信大家對中心法則都不陌生吧。而在中心法則連接的三大生物大分子中，起到承上啟下作用的便是RNA了。在翻譯前，RNA水平的調(diào)控是自然狀態(tài)下生命活動的一大重要組成部分，對每一個活細(xì)胞而言都極為重要。經(jīng)典的RNA水平調(diào)控主要可以分為兩大類。

第一類：剪接（Splicing）

剪接是我們最為熟知的一類RNA水平調(diào)控。通過剪接，pre-mRNA中的內(nèi)含子序列被剪掉，而外顯子被拼接起來。剪接是可變的，是調(diào)節(jié)基因表達(dá)和產(chǎn)生蛋白質(zhì)組多樣性的重要機(jī)制。由于可以通過可變剪接產(chǎn)生不同類型的轉(zhuǎn)錄本從而產(chǎn)生不同類型的蛋白，此方式是導(dǎo)致真核生物基因和蛋白質(zhì)數(shù)量較大差異的重要原因，對多種生命活動的發(fā)生具有重要意義[5]。

圖1. RNA的可變剪接示意圖

（注上圖從左到右：方式1：正常的剪接；方式2：外顯子跳躍，剪接掉了中間的一個外顯子；方式3：外顯子擴(kuò)展，是內(nèi)含子剪接不完全的結(jié)果；方式4：內(nèi)含子保留，存在未剪接的內(nèi)含子；方式5：同時存在不同可變剪接的結(jié)果）

第二類：多種多樣的化學(xué)修飾（Chemical modification）

這些化學(xué)修飾包括我們熟悉的5’端加帽（m7Gpp-pmnNp），3’端加尾（poly A），也包括在腺苷上發(fā)生甲基化，胞苷上發(fā)生羥甲基化等等[6-7]。它們可以調(diào)控RNA的穩(wěn)定性，也可以調(diào)節(jié)RNA轉(zhuǎn)錄的活性。除上述化學(xué)修飾以外，還有十分特殊的一類便是我們常說的RNA編輯（RNA editing）。

圖2. RNA上發(fā)生的多種化學(xué)修飾

02、RNA編輯

RNA編輯是指在mRNA水平上改變遺傳信息的過程。具體說來，指基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置換，基因轉(zhuǎn)錄物的序列不與基因模板序列互補(bǔ)，使翻譯生成的蛋白質(zhì)的氨基酸組成不同于基因序列中的編碼信息現(xiàn)象。

作為一類特殊的化學(xué)修飾，RNA編輯可以有以下兩種分類：

第一類：在脫氨酶介導(dǎo)下發(fā)生脫氨反應(yīng)

▲ 在胞嘧啶脫氨酶的作用下，RNA上會發(fā)生C-to-U的堿基變化[8]。C-to-U的結(jié)果一般是產(chǎn)生終止密碼子（UAA），比如人體內(nèi)的載脂蛋白apoB基因。在胞嘧啶脫氨酶的作用下，apoB的mRNA上2153位的CAA變成UAA，使得翻譯提前終止，產(chǎn)生較短的載脂蛋白序列。由于編輯是不完全 ，所以正常長度的apoB-100與較短的apoB-48在細(xì)胞內(nèi)是同時存在的[9]。在人的神經(jīng)纖維瘤病1型（NF1）中，也存在著C-to-U的mRNA編輯[10]。不過，C-to-U型編輯在自然界中較為少見，是一種“小眾”的RNA編輯。

▲ 而更為廣泛存在的一類RNA編輯是在ADAR蛋白（adenosine deaminase acting on RNA）的作用下發(fā)生的A-to-I[11]。I（肌苷，也稱次黃嘌呤核苷）偏好于與C配對，因此在功能上相當(dāng)與G（A-to-G）。A-to-I編輯大多是位點(diǎn)特異性的（site-directed editing），但是在重復(fù)序列（如Alu原件）或病毒基因組中由于很多A的富集，也會發(fā)生高水平的大量A-to-I，這個被稱為超編輯或者是泛編輯（hyper editing）。在后文會針對ADAR進(jìn)行詳細(xì)介紹。

第二類：在gRNA介導(dǎo)下發(fā)生的U的插入或刪除

U的插入和刪除也是RNA編輯的一大類型，它使得RNA序列發(fā)生移碼，也可以使得翻譯選擇正確的閱讀框。這種插入或刪除往往需要gRNA的引導(dǎo)，此類現(xiàn)象多在錐蟲等低等生物中出現(xiàn)[12]。

圖3. gRNA介導(dǎo)下的U的插入或刪除

03、ADAR蛋白與A-to-I RNA編輯

正如小編剛剛所說，由于A-to-I編輯在多種生物體內(nèi)廣泛存在，因此也被科學(xué)家們給予了廣泛關(guān)注，下面詳細(xì)介紹。A-to-I的發(fā)生需要ADAR，哺乳動物細(xì)胞中有三種ADAR：ADAR1 (ADAR)、ADAR2 (ADARB1)和ADAR3 (ADARB2)，在生命活動中扮演著不同的角色。

第一種：ADAR1

ADAR1可以說是ADAR家族中的“大哥”，它在全身廣泛表達(dá)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)外表達(dá)最高的一類ADAR。ADAR1的一個特征是，它可以表達(dá)為兩個不同的編輯能力亞型，一個是主要定位于細(xì)胞核的組成型p110 kDa亞型(ADAR1 p110)和一個主要存在于細(xì)胞質(zhì)中的處于干擾素和固有免疫誘導(dǎo)調(diào)節(jié)下的p150 kDa亞型（ADAR1 p150）。ADAR的一大特征是它的底物是雙鏈RNA�？赡茴嵏泊蠹覀鹘y(tǒng)認(rèn)識的一個知識點(diǎn)便是mRNA并非完全單鏈，通常mRNA（單鏈）分子自身回折也會產(chǎn)生許多雙鏈結(jié)構(gòu)。在原核生物中，經(jīng)計(jì)算有66.4％的核苷酸以雙鏈結(jié)構(gòu)的形式存在。真核生物mRNA也具有豐富的二級結(jié)構(gòu)，折疊起來的mRNA二級結(jié)構(gòu)有利于蛋白質(zhì)合成的啟動，以后mRNA處于伸展的狀態(tài)則有利于翻譯的繼續(xù)。正常情況下ADAR1會對內(nèi)源的雙鏈RNA進(jìn)行編輯，對自身的RNA進(jìn)行保護(hù)。同時，它也會識別外源雙鏈RNA（如雙鏈RNA病毒）。外源病毒RNA會激活胞漿核酸受體MDA5，并進(jìn)一步誘導(dǎo)產(chǎn)生下游的固有免疫反應(yīng)。在產(chǎn)生的免疫因子如IFN-α誘導(dǎo)下，p150亞型便表達(dá)升高[13]。

第二種：ADAR2

和ADAR1不同，ADAR2和ADAR3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)最高，在其他組織中表達(dá)則受限。而ADAR2的一個典型作用便是對神經(jīng)系統(tǒng)中一類谷氨酸受體Gria2進(jìn)行編輯。在基因組上，這個受體蛋白的一個谷氨酰胺密碼子序列是CAG，編輯后即為CIG。而I傾向于與C配對，因此在翻譯過程中可以把它看做CGG，與精氨酸t(yī)RNA上的反密碼子配對，從而在氨基酸水平發(fā)生改變。編輯后表達(dá)的R蛋白對Ca2+通透性低，起到保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的作用。而如果不進(jìn)行編輯，Q型蛋白對Ca2+的通透性高，對神經(jīng)細(xì)胞存在一定毒性。不過這種編輯是不完全的，因此成年人中，Q與R兩種類型的受體都會存在。因而在正常生理狀態(tài)下，ADAR2的編輯也是起到對機(jī)體的保護(hù)作用[14]。

第三種：ADAR3

同前兩種ADAR一樣，ADAR3也可以結(jié)合雙鏈RNA。不過不同的是，ADAR3沒有任何編輯活動。所以科學(xué)家們猜測ADAR3可能是與ADAR1或2對底物進(jìn)行競爭性結(jié)合，起到編輯的抑制作用[15]。

圖4. 3種ADAR的定位與功能[16]

04、RNA編輯的調(diào)節(jié)

我們都知道，在DNA水平存在著順式與反式的調(diào)節(jié)。對于A-I編輯，也是存在著順式調(diào)節(jié)和反式調(diào)節(jié)。

▲ 順式調(diào)節(jié)：A上下游位點(diǎn)的序列對于編輯的發(fā)生存在影響，比如5’為U，3’為G，編輯的活性往往最高。而且雙鏈RNA本身的二級結(jié)構(gòu)也對編輯存在一定影響[16]。

▲ 反式調(diào)節(jié)：Pin1蛋白的磷酸化對RNA水平的編輯起著促進(jìn)作用。而WWP2通過靶向ADAR2泛素化減少編輯[16]。同時，ADAR3通過競爭結(jié)合，也對編輯起著抑制效果。

圖5. RNA編輯的順式與反式調(diào)節(jié)[16]

怎么樣，是不是通過這一期的內(nèi)容，讓大家對于RNA編輯有了一定的初步了解呢？接下來的幾期公眾號文章，我們將走進(jìn)在研究領(lǐng)域的RNA編輯工具的發(fā)展歷程，并進(jìn)一步了解其在遺傳疾病治療中的進(jìn)展，看看RNA編輯是怎樣發(fā)揮其強(qiáng)大潛力~！

參考文獻(xiàn)：

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