轉錄組的重編寫：RNA編輯

前 言

基因的功能探索是生命科學研究的永恒主題。近幾年以CRISPR-Cas9技術的發展讓直接在高等生物體內進行基因的功能研究成為可能。但除了DNA之外， DNA的轉錄產物--RNA在生命活動中也發揮著極其重要的作用，且與癌癥等多種疾病的發生密切相關。因此，對RNA進行功能研究和錯誤RNA的糾正，成為了科學界的新一大熱點。特別是前2個月，北京大學和MIT分別在Nature Biotechnology與Science上發文，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]，在業內引起了廣泛的關注與討論，進一步打開了我們深入認識RNA的大門。

那么，RNA編輯是什么？我們又是怎樣實現對RNA進行編輯的呢？接下來這幾期的公眾號文章，小編就帶著大家走入RNA編輯這個新的熱點領域，看一看在轉錄組的水平，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水平的調控是自然狀態下生命活動的一大重要組成部分，對每一個活細胞而言都極為重要。經典的RNA水平調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水平調控。通過剪接，pre-mRNA中的內含子序列被剪掉，而外顯子被拼接起來。剪接是可變的，是調節基因表達和產生蛋白質組多樣性的重要機制。由于可以通過可變剪接產生不同類型的轉錄本從而產生不同類型的蛋白，此方式是導致真核生物基因和蛋白質數量較大差異的重要原因，對多種生命活動的發生具有重要意義[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：外顯子擴展，是內含子剪接不完全的結果；方式4：內含子保留，存在未剪接的內含子；方式5：同時存在不同可變剪接的結果）

第二類：多種多樣的化學修飾（Chemical modification）

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

圖2. RNA上發生的多種化學修飾

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，指基因轉錄產生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置換，基因轉錄物的序列不與基因模板序列互補，使翻譯生成的蛋白質的氨基酸組成不同于基因序列中的編碼信息現象。

作為一類特殊的化學修飾，RNA編輯可以有以下兩種分類：

第一類：在脫氨酶介導下發生脫氨反應

▲ 在胞嘧啶脫氨酶的作用下，RNA上會發生C-to-U的堿基變化[8]。C-to-U的結果一般是產生終止密碼子（UAA），比如人體內的載脂蛋白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在細胞內是同時存在的[9]。在人的神經纖維瘤病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，因此在功能上相當與G（A-to-G）。A-to-I編輯大多是位點特異性的（site-directed editing），但是在重復序列（如Alu原件）或病毒基因組中由于很多A的富集，也會發生高水平的大量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進行詳細介紹。

第二類：在gRNA介導下發生的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，此類現象多在錐蟲等低等生物中出現[12]。

圖3. gRNA介導下的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廣泛存在，因此也被科學家們給予了廣泛關注，下面詳細介紹。A-to-I的發生需要ADAR，哺乳動物細胞中有三種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，是中樞神經系統(CNS)外表達最高的一類ADAR。ADAR1的一個特征是，它可以表達為兩個不同的編輯能力亞型，一個是主要定位于細胞核的組成型p110 kDa亞型(ADAR1 p110)和一個主要存在于細胞質中的處于干擾素和固有免疫誘導調節下的p150 kDa亞型（ADAR1 p150）。ADAR的一大特征是它的底物是雙鏈RNA。可能顛覆大家傳統認識的一個知識點便是mRNA并非完全單鏈，通常mRNA（單鏈）分子自身回折也會產生許多雙鏈結構。在原核生物中，經計算有66.4％的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。真核生物mRNA也具有豐富的二級結構，折疊起來的mRNA二級結構有利于蛋白質合成的啟動，以后mRNA處于伸展的狀態則有利于翻譯的繼續。正常情況下ADAR1會對內源的雙鏈RNA進行編輯，對自身的RNA進行保護。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，并進一步誘導產生下游的固有免疫反應。在產生的免疫因子如IFN-α誘導下，p150亞型便表達升高[13]。

第二種：ADAR2

和ADAR1不同，ADAR2和ADAR3在中樞神經系統中表達最高，在其他組織中表達則受限。而ADAR2的一個典型作用便是對神經系統中一類谷氨酸受體Gria2進行編輯。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tRNA上的反密碼子配對，從而在氨基酸水平發生改變。編輯后表達的R蛋白對Ca2+通透性低，起到保護神經細胞的作用。而如果不進行編輯，Q型蛋白對Ca2+的通透性高，對神經細胞存在一定毒性。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下，ADAR2的編輯也是起到對機體的保護作用[14]。

第三種：ADAR3

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

圖4. 3種ADAR的定位與功能[16]

04、RNA編輯的調節

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

▲ 順式調節：A上下游位點的序列對于編輯的發生存在影響，比如5’為U，3’為G，編輯的活性往往最高。而且雙鏈RNA本身的二級結構也對編輯存在一定影響[16]。

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

圖5. RNA編輯的順式與反式調節[16]

怎么樣，是不是通過這一期的內容，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，我們將走進在研究領域的RNA編輯工具的發展歷程，并進一步了解其在遺傳疾病治療中的進展，看看RNA編輯是怎樣發揮其強大潛力~！

參考文獻：

[1] Qu L, Yi Z, Zhu S, Wang C, Cao Z, Zhou Z, Yuan P, Yu Y, Tian F, Liu Z, Bao Y, Zhao Y, Wei W. Programmable RNA editing by recruiting endogenous ADAR using engineered RNAs. Nat Biotechnol. 2019, 37(9):1059-1069.

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[9] Chen SH, Habib G, Yang CY, Gu ZW, Lee BR, Weng SA, Silberman SR, Cai SJ, Deslypere JP, Rosseneu M, et al. Apolipoprotein B-48 is the product of a messenger RNA with an organ-specific in-frame stop codon. Science. 1987, 238(4825):363-6.

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[16] Walkley CR1, Li JB. Rewriting the transcriptome: adenosine-to-inosine RNA editing by ADARs. Genome Biol. 2017, 18(1):205.