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。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，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)：

[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.

[2] Abudayyeh OO, Gootenberg JS, Franklin B, Koob J, Kellner MJ, Ladha A, Joung J, Kirchgatterer P, Cox DBT, Zhang F. A cytosine deaminase for programmable single-base RNA editing. Science. 2019, 365(6451):382-386.

[3] Darren J. Burgess. Expanding options for RNA based editors. Nature Reviews Geneticsvolume 20, 563 (2019).

[4] Sarah Crunkhorn. Expanding the RNA-editing toolbox. Nature Reviews Drug Discovery 18, 667 (2019).

[5] Buratti E, Baralle M, Baralle FE. Defective splicing, disease and therapy: searching for master checkpoints in exon definition. Nucleic Acids Res. 2006, 34(12):3494-510.

[6] Schoenberg DR, Maquat LE. Re-capping the message. Trends Biochem Sci. 2009, 34(9):435-42.

[7] Guo J, Garrett M, Micklem G, Brogna S. Poly(A) Signals Located near the 5' End of Genes Are Silenced by a General Mechanism That Prevents Premature 3'-End Processing. Mol Cell Biol. 2011, 31(4). 639-651.

[8] Vu LT, Tsukahara T. C-to-U editing and site-directed RNA editing for the correction of genetic mutations. Biosci Trends. 2017, 11(3):243-253.

[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.

[10] Skuse GR, Cappione AJ, Sowden M, Metheny LJ, Smith HC. The neurofibromatosis type I messenger RNA undergoes base-modification RNA editing. Nucleic Acids Res. 1996, 24(3):478-85.

[11] Yablonovitch AL, Deng P, Jacobson D, Li JB. The evolution and adaptation of A-to-I RNA editing. PLoS Genet. 2017, 13(11):e1007064.

[12] Tang W, Fei Y, Page M. Biological significance of RNA editing in cells. Mol Biotechnol. 2012, 52(1):91-100.

[13] Wang Q, Li X, Qi R, Billiar T. RNA Editing, ADAR1, and the Innate Immune Response. Genes (Basel). 2017, 8(1). pii: E41.

[14] Kwak S, Kawahara Y. Deficient RNA editing of GluR2 and neuronal death in amyotropic lateral sclerosis. J Mol Med (Berl). 2005, 83(2):110-20.

[15] Oakes E, Anderson A, Cohen-Gadol A, Hundley HA. Adenosine deaminase that acts on RNA 3 (ADAR3) binding to glutamate receptor subunit B premRNA inhibits RNA editing in glioblastoma. J Biol Chem. 2017;292:4326-4335.

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