近日，植物保护学院彩万志/段元格团队在《分子进化杂志》（ Journal of Molecular Evolution ）在线发表了题为《来自密码子表的发现：趋同重编码为研究A-to-I RNA编辑提供新思路》（Learning from the codon table: convergent recoding provides novel understanding on the evolution of A-to-I RNA editing）的研究论文。该研究从宏观演化的角度，巧妙地以昆虫为线索，解答了哺乳动物中高度保守的A-to-I RNA编辑位点潜在的适应性优势。

A-to-I mRNA编辑是动物和微生物中广泛存在的转录后修饰，在动物中由ADAR蛋白介导。由于I会被识别为G，因此A-to-I RNA编辑效果上类似于A-to-G DNA突变（图1A）。早在三十多年前，科学家就发现了哺乳动物中存在一个高度保守的RNA编辑位点，发生在受体蛋白 GRIA2 基因的mRNA上，产生CAG（谷氨酰胺Gln）到CGG（精氨酸Arg）的序列变化，该位点被称作Q>R位点。在有过研究的哺乳动物（人、小鼠、猪等）和其它脊椎动物大脑中，Q>R位点的编辑水平都是100%（图1B）。低于100%的编辑水平会引起一系列异常，如人类的阿尔兹海默症（AD）、肌萎缩性侧索硬化症（ALS）等；而完全不编辑的Q型蛋白会因钙离子内流而使个体致死（图1C）。

图1  A-to-I mRNA编辑。A. RNA编辑的发生；B. 哺乳动物Q>R编辑位点会100%编辑（Ma  et al ., 2024,  J. Mol. Evo. ）；C. Q>R位点不能编辑是致死的（Walkley & Li, 2017,  Genome Biology ）

既然Q>R位点必须发生100%的A-to-I RNA编辑，那么为何不直接把基因组上的A修改（突变）为G，使之从源头上就完全编码R？是什么力量在维持该位点的RNA编辑？这是哺乳动物RNA编辑领域一直以来没有回答的问题。此外，如果R型蛋白才是有功能的，那么至少还存在其它两种等效的方式来产生R，其中包括了本研究新定义的“趋同重编码”（convergent recoding）：即使该位点基因组序列变成组氨酸His，发生RNA编辑之后也同样能“趋同”变为R（图2A）。

为了探究Q>R位点的序列保守性，本研究分析了大量脊椎动物的基因组序列，包括470种哺乳动物。发现，在所有哺乳动物基因组中，这个位点密码子都是CAG，对应编辑之前的Q，无一发生DNA突变（图2B）。在中性条件下，470个哺乳动物中该位点都保持不变的概率极低（ P = 4.6E-23）。因此，必定存在纯化选择（负选择）的力量来维持该位点DNA序列不变。

图2  对Q>R位点的基因组演化分析。A. 通过密码子表分析Q>R位点产生R的其它三类方式；B. Q>R位点基因组序列在脊椎动物及外类群（果蝇）中的演化

维持基因组序列不变的力量可能来自RNA编辑的优势：A-to-I RNA编辑可根据环境的变化灵活调整A和G两种等位基因的表达。而发生A-to-G DNA突变之后则丧失这种灵活性，当在特定环境下需要A等位基因时，基因组编码的G将会不利于生物的适应性。为了探究Q>R位点编辑之前的Q型蛋白是否是有功能的，本研究跳出脊椎动物的范畴，考察了模式昆虫果蝇，发现果蝇大脑确实会表达 GRIA2 同源基因，但相应的Q>R位点却不发生编辑，因此果蝇大脑中的 GRIA2 基因100%编码Q型蛋白（图2B）。

该结果一方面说明脊椎动物中Q>R位点的祖先基因组序列为Q而非R，另一方面巧妙地运用昆虫作为线索，发现果蝇在正常状态下就只编码Q型蛋白，说明了编辑前的Q型蛋白也是具有功能的。由此，本研究猜测，在哺乳动物中，虽然大脑100%需要编辑后的R型蛋白，但其它组织器官可能需要Q型蛋白，因此基因组序列A不能直接变为G，而需要保持可编辑的灵活性。为了证实这一猜想，研究发现，除大脑之外， GRIA2 基因正常情况下也会在人类肾上腺（adrenal）和子宫内膜（endometrium）表达，其中肾上腺Q>R位点的编辑水平低于50%（图3）。该结果说明编辑前的Q型蛋白可能在肾上腺中发挥功能，这同时也作为一个例子说明Q>R位点在人类特定组织器官中并不是必须100%编辑。

图3  人类肾上腺中 GRIA2 基因表达但Q>R编辑水平低

在哺乳动物大脑中，为了维持Q>R位点发生100%的RNA编辑，需要稳定的pre-mRNA二级结构。本研究发现，Q>R位点靠近外显子的边界，其附近的内含子序列也因为强烈的负选择而变得高度保守（图4），这充分体现了Q>R编辑位点的重要性。

图4  人和小鼠Q>R位点附近稳定的pre-mRNA二级结构

此外，本研究还提出，通过演化过程中“趋同重编码”事件出现的频率，可以用来初步判断一个A-to-I RNA编辑位点其编辑前的蛋白是否具有功能。哺乳动物Q>R位点就是这样的一个例子：所有调查的物种中都未发现趋同重编码事件，说明编辑之前的Q型蛋白是有功能的，其基因组序列受负选择维持。

总的来说，本研究以果蝇为线索，解释了哺乳动物中高度保守的RNA编辑位点潜在的演化生物学意义。不同的组织器官需要不同的蛋白，RNA编辑可以灵活地改变蛋白序列，使之在需要的地方发挥功能。而相比之下，DNA突变则会产生“多效性”和拮抗作用，在一定程度上限制了生物的适应性演化。

中国农业大学植物保护学院段元格副教授为论文通讯作者，博士后马玲和硕士生郑采青为论文共同第一作者，团队彩万志教授、李虎教授、宋凡副教授、田里副教授、博士生刘霁瑶等也参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、北京市科协青年人才托举工程、中国农业大学2115人才培育发展计划等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s00239-024-10190-z