人类不同组织中A-to-I RNA编辑的调控及与自身免疫病的联系

人类不同组织中A-to-I RNA编辑的调控及与自身免疫病的联系

2019年4月10日上午,应蛋白质与植物基因研究国家重点实验室成员陆剑研究员邀请,斯坦福大学的博士后李钦在王克桢楼348会议室带来一场题为“Genetic mapping of A-to-I RNA editing in human tissues links population and autoimmune disease”的精彩报告。李钦2014年博士毕业于北京大学生命科学学院,导师为朱玉贤教授,现在斯坦福大学Billy Li 实验室做博士后,主要研究方向是RNA编辑。

RNA编辑背景介绍

腺嘌呤到次黄嘌呤(A-to-I)RNA编辑是由腺嘌呤脱氨基酶ADAR介导的一种重要的转录后修饰,该机制广泛存在于动物中,增加了转录组的多样性。ADAR酶所偏好的底物是双链RNA(dsRNA)。RNA编辑现象最早是在非洲爪蟾卵细胞中发现的,研究者观测到次黄嘌呤具有解开RNA双链的效果[1]。近年来发展起来的高通量测序技术为在全基因组水平准确鉴定RNA编辑位点提供了可能。在人、小鼠、果蝇等多个物种中,许多研究不断鉴定出新的A-to-I RNA编辑位点,极大地扩充了A-to-I RNA编辑组(Editome)。但是,RNA编辑事件是如何被调控的,以及它们行使着怎样的功能还知之甚少。

哺乳动物中的RNA编辑

在哺乳动物中,有三个ADAR酶,分别是ADAR1,ADAR2和ADAR3。ADAR1主要负责重复序列区域的编辑,ADAR2在脑和心脏中高表达,主要负责编码区的编辑,而ADAR3虽然只在脑中表达,却没有催化活性,被认为是竞争性结合dsRNA从而起到负调控作用。哺乳动物尤其是灵长类动物中,RNA编辑事件大多发生在非编码的重复序列上。而在为数不多的位于编码区的RNA编辑位点中,最经典的是位于基因GluR-B上的 Q/R 位点 [2]。基因GluR-B编码一个谷氨酸受体,其mRNA的Q/R位点被编辑后产生Gln到Arg的非同义突变。在小鼠模型中,只有Q/R位点100%编辑的小鼠才能存活,突变体会因钙离子大量涌入细胞而死。

ADAR1介导的RNA编辑阻止MDA5将内源dsRNA识别为非己

ADAR酶除了行使RNA编辑的功能改变氨基酸编码之外,是否还有其它的生物学功能?李钦所在实验室团队对小鼠的ADAR1基因进行改造,使其蛋白的第861位Glu突变为Ala,突变后的ADAR1失去催化活性。突变体小鼠记为Adar1E861A/E861A。观察发现,该突变体小鼠会在胚胎第十三天半(E13.5)的时候死亡。那么突变体小鼠的表型是由于失去了RNA编辑还是其它原因造成的呢?分析发现,Adar1E861A/E861A小鼠激活了干扰素(IFN)及感受dsRNA的通路,上调了许多IFN激活基因(ISG)(图一)。有趣的是,该表型能通过MDA5的缺失(MDA5-/-;也称作Ifih1-/-)来拯救,该结果在个体水平(图二,A、B)得到了验证。MDA5蛋白是在细胞质中的dsRNA感受器,识别未编辑的长的dsRNA,是一个抗病毒入侵的因子。由此推断,在失去了ADAR1的编辑之后,内源性的dsRNA进入细胞质里面,被MDA5识别为外源的病毒双链,激活ISG,引发免疫反应。所以,ADAR1的重要功能是对内源性的dsRNA进行A-to-I编辑,内源dsRNA被编辑之后,进入细胞质之后不会被MDA5识别为“非己”,这样就防止了激活对内源dsRNA的免疫反应。

图一,Adar1E861A/E861A突变体小鼠上调干扰素激活基因(ISG) [3]


图二,ADAR1介导的RNA编辑阻止MDA5将内源dsRNA识别为非己 [3]

不同组织中RNA编辑水平相关性较强

A-to-I RNA编辑在动物中的普遍性和重要性在近年来被大量报道。李钦及其合作者收集了GTEx(Genotype-Tissue Expression)中人和其它哺乳动物中不同组织和发育阶段的测序数据(包括上千个来自人的样本),系统地比较了RNA编辑在时空上的调控。通过统计各个组织中的所有RNA编辑位点的水平,发现,位于非重复序列的RNA编辑位点,其编辑水平在不同组织之间的变化较大,相关性弱(图三,右上);如果用所有的RNA编辑位点(绝大部分位于重复序列区域),其编辑水平相对变化较小,相关性强(图三,左下)。该结果向大家展示了RNA编辑水平在不同组织中的总体概况。那么接下来的问题是,这些位于编码区和重复序列的RNA编辑位点是如何被调控的。

图三,不同组织之间RNA编辑水平的相关性 [4]

不同的ADAR酶能解释不同位点的RNA编辑水平

那么,是哪些因素决定了这些位点的RNA编辑水平呢?如上文提到,人里边存在三个ADAR酶,分别是ADAR1,ADAR2和ADAR3。为了探究这三个ADAR酶分别能解释多少RNA编辑水平的变化,该团队考察了不同样本中总体RNA编辑水平与三个ADAR酶的mRNA表达量的关系。结果是,(1)ADAR1表达量与重复序列RNA编辑位点的水平有显著的正相关,而与非重复序列编码区的编辑水平相关性较弱(图四,A);(2)ADAR2表达量则与编码区的RNA编辑水平有很强的正相关,对重复区域的RNA编辑位点影响较小(图四,A);(3)ADAR3的表达量与总体的RNA编辑水平呈负相关(图四,B)。如果将ADAR1与ADAR2的效果加起来,并扣除ADAR3的作用(ADAR1+ADAR2-ADAR3),则呈现出与总体RNA编辑水平极强的正相关(图四,B)。考虑到ADAR3是没有编辑活性的,因此其作用可能只是占据可被编辑的dsRNA,对ADAR1和ADAR2的编辑起抑制效果。这些结果不仅为我们展示了不同的ADAR酶对RNA编辑水平的调控作用,还提供了一种研究其它潜在的反式作用因子的思路。

图四,ADAR酶表达量与RNA编辑水平的相关性 [4]

RNA编辑对人类自身免疫疾病的贡献

除了已发表的工作之外,李钦的演讲也包含了他未发表的工作。利用GTEx数据中RNA编辑事件的多态性,李钦大量地鉴定影响RNA编辑的QTL(Quantitative Trait Loci)位点,记为edQTL。与eQTL(expression QTL)和sQTL(splicing QTL)富集在基因的5’端和编码区不同的是,edQTL富集在基因的3’端。李钦从GTEx数据中鉴定到了超过八十万个edQTL,并且与人类自身免疫疾病联系起来发现,RNA编辑的影响要强于基因表达与RNA剪切。在人类自身免疫疾病中,影响RNA编辑的遗传突变贡献了30-40%的遗传度。在和这些疾病遗传突变关联的dsRNA中,遗传风险最高的并不是由反向重复序列形成的分子内dsRNA,而是几乎全部来源于由正向-反向转录序列互补形成的分子间dsRNA。李钦提出,需要被ADAR编辑以通过自身免疫识别的dsRNA分为两类,一类是传统的由反向重复序列形成的分子内dsRNA,另一类是由互补链转录而形成的分子间dsRNA,后者虽然总体数目较少且在以前的研究中一直被忽视,但遗传风险富集程度比前者高出近20倍。

RNA编辑的研究在过去的十几年中取得了长足的进展,从利用二代测序技术大规模发现RNA编辑位点,到系统地理解RNA编辑的调控及在固有免疫中的重要作用。李钦的演讲揭示了RNA编辑作为人类遗传调控的主要靶标之一,在自身免疫病中发挥着不可替代的作用。来源于互补链转录的分子间dsRNA作为一类特异的高遗传风险位点的发现,为自身免疫病的检测和治疗提供了新的思路。李钦博士的报告之后师生展开了热烈的讨论。


参考文献

1. Bass, B.L. and H. Weintraub, A Developmentally Regulated Activity That Unwinds Rna Duplexes. Cell, 1987. 48(4): p. 607-613.

2. Brusa, R., et al., Early-onset epilepsy and postnatal lethality associated with an editing-deficient GluR-B allele in mice. Science, 1995. 270(5242): p. 1677-80.

3. Liddicoat, B.J., et al., RNA editing by ADAR1 prevents MDA5 sensing of endogenous dsRNA as nonself. Science, 2015. 349(6252): p. 1115-20.

4. Tan, M.H., et al., Dynamic landscape and regulation of RNA editing in mammals. Nature, 2017. 550(7675): p. 249-254.