前 言

基因的功能探索是生命科学研究的永恒主题。近几年以CRISPR-Cas9技术的发展让直接在高等生物体内进行基因的功能研究成为可能。但除了DNA之外， DNA的转录产物--RNA在生命活动中也发挥着极其重要的作用，且与癌症等多种疾病的发生密切相关。因此，对RNA进行功能研究和错误RNA的纠正，成为了科学界的新一大热点。特别是前2个月，北京大学和MIT分别在Nature Biotechnology与Science上发文，提出了名为“LEAPER”的A-to-I RNA编辑工具[1]和名为“RESCUE”的C-to-U RNA编辑器[2]，被Nature Reviews Genetics和Nature Reviews Drug Discovery两篇杂志分别点评是“拓宽了RNA单碱基编辑器的选择”[3]和“拓展了RNA编辑的工具箱”[4]，在业内引起了广泛的关注与讨论，进一步打开了我们深入认识RNA的大门。

 

那么，RNA编辑是什么？我们又是怎样实现对RNA进行编辑的呢？接下来这几期的公众号文章，小编就带着大家走入RNA编辑这个新的热点领域，看一看在转录组的水平，神奇的编辑工具是怎么大展身手的。首先，让我们从RNA编辑的原理开始讲起。

 

01、翻译前RNA水平调控

相信大家对中心法则都不陌生吧。而在中心法则连接的三大生物大分子中，起到承上启下作用的便是RNA了。在翻译前，RNA水平的调控是自然状态下生命活动的一大重要组成部分，对每一个活细胞而言都极为重要。经典的RNA水平调控主要可以分为两大类。

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第一类：剪接（Splicing）

剪接是我们最为熟知的一类RNA水平调控。通过剪接，pre-mRNA中的内含子序列被剪掉，而外显子被拼接起来。剪接是可变的，是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制。由于可以通过可变剪接产生不同类型的转录本从而产生不同类型的蛋白，此方式是导致真核生物基因和蛋白质数量较大差异的重要原因，对多种生命活动的发生具有重要意义[5]。

 

图1. RNA的可变剪接示意图

（注上图从左到右：方式1：正常的剪接；方式2：外显子跳跃，剪接掉了中间的一个外显子；方式3：外显子扩展，是内含子剪接不完全的结果；方式4：内含子保留，存在未剪接的内含子；方式5：同时存在不同可变剪接的结果）

 

第二类：多种多样的化学修饰（Chemical modification）

这些化学修饰包括我们熟悉的5’端加帽（m7Gpp-pmnNp），3’端加尾（poly A），也包括在腺苷上发生甲基化，胞苷上发生羟甲基化等等[6-7]。它们可以调控RNA的稳定性，也可以调节RNA转录的活性。除上述化学修饰以外，还有十分特殊的一类便是我们常说的RNA编辑（RNA editing）。

 

图2. RNA上发生的多种化学修饰

02、RNA编辑

RNA编辑是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。具体说来，指基因转录产生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置换，基因转录物的序列不与基因模板序列互补，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成不同于基因序列中的编码信息现象。

作为一类特殊的化学修饰，RNA编辑可以有以下两种分类：

 

第一类：在脱氨酶介导下发生脱氨反应

▲ 在胞嘧啶脱氨酶的作用下，RNA上会发生C-to-U的碱基变化[8]。C-to-U的结果一般是产生终止密码子（UAA），比如人体内的载脂蛋白apoB基因。在胞嘧啶脱氨酶的作用下，apoB的mRNA上2153位的CAA变成UAA，使得翻译提前终止，产生较短的载脂蛋白序列。由于编辑是不完全 ，所以正常长度的apoB-100与较短的apoB-48在细胞内是同时存在的[9]。在人的神经纤维瘤病1型（NF1）中，也存在着C-to-U的mRNA编辑[10]。不过，C-to-U型编辑在自然界中较为少见，是一种“小众”的RNA编辑。

 

▲ 而更为广泛存在的一类RNA编辑是在ADAR蛋白（adenosine deaminase acting on RNA）的作用下发生的A-to-I[11]。I（肌苷，也称次黄嘌呤核苷）偏好于与C配对，因此在功能上相当与G（A-to-G）。A-to-I编辑大多是位点特异性的（site-directed editing），但是在重复序列（如Alu原件）或病毒基因组中由于很多A的富集，也会发生高水平的大量A-to-I，这个被称为超编辑或者是泛编辑（hyper editing）。在后文会针对ADAR进行详细介绍。

 

第二类：在gRNA介导下发生的U的插入或删除

U的插入和删除也是RNA编辑的一大类型，它使得RNA序列发生移码，也可以使得翻译选择正确的阅读框。这种插入或删除往往需要gRNA的引导，此类现象多在锥虫等低等生物中出现[12]。

 

图3. gRNA介导下的U的插入或删除

 

03、ADAR蛋白与A-to-I RNA编辑

正如小编刚刚所说，由于A-to-I编辑在多种生物体内广泛存在，因此也被科学家们给予了广泛关注，下面详细介绍。A-to-I的发生需要ADAR，哺乳动物细胞中有三种ADAR：ADAR1 (ADAR)、ADAR2 (ADARB1)和ADAR3 (ADARB2)，在生命活动中扮演着不同的角色。

 

第一种：ADAR1

ADAR1可以说是ADAR家族中的“大哥”，它在全身广泛表达，是中枢神经系统(CNS)外表达最高的一类ADAR。ADAR1的一个特征是，它可以表达为两个不同的编辑能力亚型，一个是主要定位于细胞核的组成型p110 kDa亚型(ADAR1 p110)和一个主要存在于细胞质中的处于干扰素和固有免疫诱导调节下的p150 kDa亚型（ADAR1 p150）。ADAR的一大特征是它的底物是双链RNA。可能颠覆大家传统认识的一个知识点便是mRNA并非完全单链，通常mRNA（单链）分子自身回折也会产生许多双链结构。在原核生物中，经计算有66.4％的核苷酸以双链结构的形式存在。真核生物mRNA也具有丰富的二级结构，折叠起来的mRNA二级结构有利于蛋白质合成的启动，以后mRNA处于伸展的状态则有利于翻译的继续。正常情况下ADAR1会对内源的双链RNA进行编辑，对自身的RNA进行保护。同时，它也会识别外源双链RNA（如双链RNA病毒）。外源病毒RNA会激活胞浆核酸受体MDA5，并进一步诱导产生下游的固有免疫反应。在产生的免疫因子如IFN-α诱导下，p150亚型便表达升高[13]。

 

第二种：ADAR2

和ADAR1不同，ADAR2和ADAR3在中枢神经系统中表达最高，在其他组织中表达则受限。而ADAR2的一个典型作用便是对神经系统中一类谷氨酸受体Gria2进行编辑。在基因组上，这个受体蛋白的一个谷氨酰胺密码子序列是CAG，编辑后即为CIG。而I倾向于与C配对，因此在翻译过程中可以把它看做CGG，与精氨酸tRNA上的反密码子配对，从而在氨基酸水平发生改变。编辑后表达的R蛋白对Ca2+通透性低，起到保护神经细胞的作用。而如果不进行编辑，Q型蛋白对Ca2+的通透性高，对神经细胞存在一定毒性。不过这种编辑是不完全的，因此成年人中，Q与R两种类型的受体都会存在。因而在正常生理状态下，ADAR2的编辑也是起到对机体的保护作用[14]。

 

第三种：ADAR3

同前两种ADAR一样，ADAR3也可以结合双链RNA。不过不同的是，ADAR3没有任何编辑活动。所以科学家们猜测ADAR3可能是与ADAR1或2对底物进行竞争性结合，起到编辑的抑制作用[15]。

 

图4. 3种ADAR的定位与功能[16]

 

04、RNA编辑的调节

我们都知道，在DNA水平存在着顺式与反式的调节。对于A-I编辑，也是存在着顺式调节和反式调节。

 

▲ 顺式调节：A上下游位点的序列对于编辑的发生存在影响，比如5’为U，3’为G，编辑的活性往往最高。而且双链RNA本身的二级结构也对编辑存在一定影响[16]。

▲ 反式调节：Pin1蛋白的磷酸化对RNA水平的编辑起着促进作用。而WWP2通过靶向ADAR2泛素化减少编辑[16]。同时，ADAR3通过竞争结合，也对编辑起着抑制效果。

 

图5. RNA编辑的顺式与反式调节[16]

 

怎么样，是不是通过这一期的内容，让大家对于RNA编辑有了一定的初步了解呢？接下来的几期公众号文章，我们将走进在研究领域的RNA编辑工具的发展历程，并进一步了解其在遗传疾病治疗中的进展，看看RNA编辑是怎样发挥其强大潜力~！

 

参考文献：

[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.