曉工

[本刊訊]中科院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所李軒研究組通過對多生物物種RNA編輯事件的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和分析，首次揭示RNA編輯表觀遺傳位點的系統(tǒng)進化規(guī)律，及其主要在動物神經(jīng)功能和神經(jīng)發(fā)育上的作用。研究論文發(fā)表于2016年7月28日的PLOSGenetics雜志。

RNA編輯是轉(zhuǎn)錄后RNA分子發(fā)生堿基插入、刪除、或替換，從而導(dǎo)致基因編碼序列改變的機制。目前研究最多的是A-to-I RNA編輯，即廣泛存在于后生動物RNA上腺嘌呤（A）脫氨基變?yōu)榇吸S嘌呤（I）的堿基變換。A-t0-I編輯由一類作用于RNA分子的腺苷脫氨酶（ADAR）催化，主要發(fā)生在RNA雙鏈結(jié)構(gòu)區(qū)域。而次黃嘌呤在翻譯過程中會被識別成為鳥嘌呤（G），帶來mRNA編碼改變，增加遺傳多樣性。針對A-to-I RNA編輯的表觀遺傳作用，有一系列關(guān)鍵問題亟待回答。首先，A-to-I RNA編輯是如何、并在多大程度上影響轉(zhuǎn)錄組編碼基因的多樣性？其次，RNA編輯事件本身在進化中如何被約束和選擇？RNA編輯的表觀遺傳作用是否導(dǎo)致相關(guān)基因的進化動力學(xué)改變？第三，RNA編輯的表觀遺傳作用帶給宿主的適應(yīng)性是通過哪些功能實現(xiàn)的？進化中被選擇的有益RNA編輯事件有怎樣的功能偏好性？

針對這些問題，課題組與合作者利用果蠅7個物種構(gòu)建了一個由進化上相近的物種（進化距離約4500萬年）組成的模型系統(tǒng)，并開展特定時間跨度內(nèi)A-I RNA編輯事件的發(fā)現(xiàn)和進化追蹤。通過收集多維轉(zhuǎn)錄組大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)篩選和鑒定，共發(fā)現(xiàn)9281個A-t-I RNA編輯事件，其中5150（55.5%）分布于2734個基因的編碼區(qū)（CDS）。進化遺傳分析發(fā)現(xiàn)這2734個基因?qū)儆?526個同源基因家族，約占7個果蠅物種總基因家族的5%。根據(jù)CDS區(qū)內(nèi)編輯位點的保守性，這5150編輯事件被分成3種不同類型：第一類位點發(fā)生在單基因家族基因上；第二類發(fā)生在多基因家族基因上，但位點不保守；第三類發(fā)生在多基因家族基因上，且位點保守。對這三類位點及其基因進行選擇分析發(fā)現(xiàn)，第一和第二類位點均受到純化選擇（負選擇）影響，而只有第三類位點受到正選擇壓力。重要的是，發(fā)現(xiàn)第三類位點高度富集于神經(jīng)系統(tǒng)的元件和功能中。通過對這三類編輯位點進行不同組織、不同發(fā)育時期以及動物變態(tài)發(fā)育過程中的分布及變化分析，第一次發(fā)現(xiàn)A-t-I RNA編輯在動物發(fā)育、交配等生理過程中動態(tài)變化的證據(jù)，進一步支持了三類不同編輯位點的重要功能。這些結(jié)果都指向神經(jīng)系統(tǒng)功能，說明RNA編輯表觀遺傳作用的適應(yīng)性主要通過神經(jīng)系統(tǒng)功能實現(xiàn)。神經(jīng)系統(tǒng)功能是檢驗有益RNA編輯位點的主要標(biāo)準(zhǔn)。以上發(fā)現(xiàn)揭示了由RNA編輯表觀遺傳機制引入的編碼可塑性，而產(chǎn)生一類新的二分變異。在二倍體有性生殖系統(tǒng)中，它是維持基因表達雜合性的一個重要機制，對克服等位雜合子分離有不可替代的優(yōu)勢。