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西北农林千人计划团队在真菌RNA编辑领域取得重要进展

2017-09-06 10:02 来源: BioArt 作者: liuxuehr

A-to-I RNA编辑是一种重要的遗传信息修饰机制,它将RNA分子中的腺苷(A)脱氨基转变为肌苷(I),而肌苷在翻译过程中被识别为鸟苷(G),可导致遗传信息发生A→G突变。A-to-I编辑在动物中普遍存在,由ADAR酶催化完成,ADAR是动物中特异进化出来的,动物以外的其它物种尚未发现A-to-I编辑。近日,西北农林科技大学“千人计划” 专家许金荣教授团队在PNAS以长文形式(PNAS PLus)在线发表了题为“A-to-I RNA editing is developmentally regulated and generally adaptive for sexual reproduction in Neurospora crassa”的研究论文。研究发现,A-to-I RNA编辑是丝状子囊真菌中的一种保守表观遗传调控机制,作为DNA变异机制的补充,是真菌适应性进化的重要驱动力。本研究还鉴定出了四百多个进化保守的编辑位点,成为揭开A-to-I编辑事件重要功能的宝贵资源。此外,由于有性生殖产生的子囊孢子是小麦赤霉病发生的主要侵染源,这一发现对小麦赤霉病病害防控也具有指导意义。值得一提的是,该研究是继2016年该团队在Genome Research上发表封面论文首次报道了禾谷镰刀菌中存在A-to-I RNA编辑之后,在RNA编辑领域取得的又一重要进展。

由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)引起的小麦赤霉病是影响我国粮食安全和人畜健康的重大真菌病害。禾谷镰刀菌有性生殖产生的子囊孢子是病害发生的主要侵染源,因此,禾谷镰刀菌的有性生殖对病害发生至关重要。许金荣团队在研究禾谷镰刀菌有性发育调控的过程中发现了A-to-I RNA编辑现象,在有性生殖产生的成熟子囊壳样品中鉴定到两万六千多个编辑位点,其中超过64%的位点为非同义编辑,引起氨基酸替代【1】。真菌中这种情况与哺乳动物中报道的A-to-I编辑截然不同,在哺乳动物中绝大部分编辑位点位于非编码区,不影响氨基酸序列。例如,人当中已鉴定到三百多万个编辑位点,仅有五百多个位点能够引起氨基酸替代【2】。真菌中A-to-I编辑的发现引出来一系列问题,例如,A-to-I编辑是否也广泛发生于其它真菌中?编辑位点是否在不同真菌间保守?其在真菌有性发育过程中的发生动态如何?主要调控功能是什么?这种大规模的非同义A-to-I编辑是适应选择的结果还是随机发生的?这些编辑位点在进化上有什么意义?为了探究这些问题,团队选用粗糙脉胞菌(Neurospora crassa)为研究系统,粗糙脉胞菌是一种重要的模式丝状真菌,具有丰富的遗传学和基因组学资源,非常适宜于研究A-to-I编辑机制。

团队对粗糙脉胞菌有性发育不同时期的A-to-I编辑情况进行了系统性研究,发现A-to-I编辑也广泛发生在粗糙脉孢菌有性生殖阶段,总共鉴定出四万多个编辑位点,与禾谷镰刀菌中的类似,也是大部分位于编码区内,导致氨基酸发生改变。研究发现,编辑在有性发育的早期(子囊壳形成时期)已经开始发生,但在子囊和子囊孢子发育过程中大量发生。有意思的是,大部分编辑位点只发生在有性发育的特定阶段,所有阶段都发生编辑的位点只有二千多个,而且编辑位点在不同发育阶段的编辑效率(水平)存在很大差异,通常在子囊和子囊孢子发育过程中编辑位点的编辑效率最高,预示着RNA编辑在该过程中的重要作用。

Properties of the nonsynonymous editing sites in N. crassa.

粗糙脉胞菌和禾谷镰刀菌中的A-to-I编辑都能够导致有性发育阶段表达的半数以上基因编码的蛋白序列发生改变。大部分与有性生殖和表观遗传调控(如DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA沉默)有关的基因表达的产物被强烈编辑。特别有意思的是,在粗糙脉胞菌和禾谷镰刀菌中分别发现了50个和70个假基因,这些假基因的编码区内存在提前终止密码子,在有性生殖阶段提前终止密码子被A-to-I编辑修复为氨基酸密码子使假基因重新获得了编码全长蛋白的能力。绝大部分假基因在有性阶段特异或上调表达,基因功能验证发现部分假基因在有性发育中具有重要功能,而RNA编辑对假基因功能的行使至关重要。这些结果表明A-to-I编辑对真菌有性发育和其它表观遗传学机制具有重要调控作用。

粗糙脉胞菌和禾谷镰刀菌进化距离约350万年,相当于人和青蛙间的差距。研究发现这两种真菌之间存在450多个保守编辑位点,其中绝大多数为非同义编辑,导致氨基酸替代。相反,哺乳动物虽然存在大量编辑位点,但保守的非同义编辑只有三十多个【3】。真菌中这些保守编辑位点的编辑效率普遍较高,表明其具有潜在功能重要性,这些保守编辑位点以及其所在的基因是揭开A-to-I编辑事件对蛋白功能影响的宝贵资源。

人当中导致氨基酸改变的非同义编辑一般不具有适应性【4】。但进化分析表明粗糙脉孢菌中非同义编辑在进化中受到正选择。一方面,非同义编辑可增加有性阶段的蛋白组多样性(“杂合”优势),由平衡选择维持;另一方面,一些编辑产生的蛋白变体本身可能有益,受到定向选择,此类编辑位点的编辑水平通常较高。分析禾谷镰刀菌中的编辑位点,也可得出同样的结论【5】,说明真菌中的非同义编辑通常具有适应优势。无独有偶,近期果蝇中也发现脑组织中的和进化保守的非同义编辑一般也具有适应性【6-8】。

真菌中A-to-I编辑目前只在有性生殖阶段发现。动物中A-to-I编辑虽然也有组织和发育阶段偏好性,但几乎所有组织都能够检测到大量编辑事件【2】。一个重要而又难以回答的问题是A-to-I编辑为什么大量发生在真菌有性生殖阶段?有性生殖的一个重要优势是通过减数分裂期间的同源重组增加物种遗传多样性,从而增加其环境适应性。相应地,也有报道称真菌减数分裂过程中的自发突变速率升高。RNA编辑被认为可以在表观遗传学水平上增加蛋白组多样性,从而利于适应性进化【9】。的确,动物中已有研究证明RNA编辑通过增加蛋白柔韧性利于温度适应【10-12】。真菌有性生殖阶段存在的大量非同义编辑可极大地增加蛋白组多样性从而利于真菌快速适应环境,进化分析也确实证明粗糙脉胞菌中A-to-I编辑增加的蛋白组多样性是被自然选择所维持的。此外,由于遗传重组和自发突变导致的变异是永恒的,刚性的,因而功能上受到强烈约束的基因通常进化上非常保守,很难发生DNA变异。相反,研究发现越是进化保守的基因(功能受到强烈约束)上发生的A-to-I编辑的频率和强度越高,表明真菌A-to-I编辑主要用于增加那些通过DNA变异难以实现的基因的蛋白多样性。因此,发生在有性生殖阶段的A-to-I编辑是真菌适应性进化的重要驱动力。

这一发现对小麦赤霉病病害防控也具有指导意义。禾谷镰刀菌有性生殖在越冬的病残体上发生,次年春天子囊孢子产生和释放需要适应不同的温度和环境条件,因此,A-to-I编辑很可能通过增加蛋白多样性,提高病菌的温度和环境适应性。鉴于A-to-I编辑对真菌有性发育和物种进化的重要作用,A-to-I编辑系统将是理想的靶标,阻止RNA编辑的发生,有望减少赤霉病初侵染源,降低其温度和环境适应性,从而达到病害防控的目的。

刘慧泉研究员为该论文的第一作者,同时与许金荣教授为论文的共同通讯作者,来自西农-普度联合研究中心的研究生黎阳、陈代朋、齐朝妹,博士后王秦虎,副研究员王建华和江聪也都参与了该研究,做出了重要贡献。论文第一署名单位为西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室。该研究得到了国家优秀青年基金和公益性行业(农业)科研专项等项目的资助。

主要参考文献

1 Liu, H. et al. Genome-wide A-to-I RNA editing in fungi independent of ADAR enzymes. Genome Res 26, 499-509, doi:10.1101/gr.199877.115 (2016).

2 Picardi, E. et al. Profiling RNA editing in human tissues: towards the inosinome Atlas. Sci Rep 5, 14941, doi:10.1038/srep14941 (2015).

3 Pinto, Y., Cohen, H. Y. & Levanon, E. Y. Mammalian conserved ADAR targets comprise only a small fragment of the human editosome. Genome Biol 15, R5, doi:10.1186/gb-2014-15-1-r5 (2014).

4 Xu, G. & Zhang, J. Human coding RNA editing is generally nonadaptive. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 3769-3774, doi:10.1073/pnas.1321745111 (2014).

5 Wang, Q., Jiang, C., Liu, H. & Xu, J.-R. ADAR-Independent A-to-I RNA Editing is Generally Adaptive for Sexual Reproduction in Fungi. bioRxiv, 059725 (2016).

6 Yu, Y. et al. The Landscape of A-to-I RNA Editome Is Shaped by Both Positive and Purifying Selection. PLoS Genet 12, e1006191, doi:10.1371/journal.pgen.1006191 (2016).

7 Zhang, R., Deng, P., Jacobson, D. & Li, J. B. Evolutionary analysis reveals regulatory and functional landscape of coding and non-coding RNA editing. PLoS Genet 13, e1006563, doi:10.1371/journal.pgen.1006563 (2017).

8 Duan, Y., Dou, S., Luo, S., Zhang, H. & Lu, J. Adaptation of A-to-I RNA editing in Drosophila. PLoS Genet 13, e1006648, doi:10.1371/journal.pgen.1006648 (2017).

9 Gommans, W. M., Mullen, S. P. & Maas, S. RNA editing: a driving force for adaptive evolution? Bioessays 31, 1137-1145, doi:10.1002/bies.200900045 (2009).

10 Garrett, S. & Rosenthal, J. J. RNA editing underlies temperature adaptation in K+ channels from plar octopuses. Science 335, 848-851, doi:10.1126/science.1212795 (2012).

11 Garrett, S. C. & Rosenthal, J. J. A role for A-to-I RNA editing in temperature adaptation. Physiology (Bethesda) 27, 362-369, doi:10.1152/physiol.00029.2012 (2012).

12 Savva, Y. A. et al. Auto-regulatory RNA editing fine-tunes mRNA re-coding and complex behaviour in Drosophila. Nat Commun 3, 790, doi:10.1038/ncomms1789 (2012).

通讯作者简介

许金荣,西北农林科技大学国家“千人计划”专家、长江学者讲座教授,美国普度大学植物与植物病理系教授,博士生导师。中国植物病理学会荣誉副理事长、美国植物病理学会、遗传学会和真菌学会成员。曾任BMC Microbiology副主编和Molecular Microbiology编委,现任PLoS Pathogens和BMC Genomics副主编,Scientific Reports和Eukaryotic Cell编委。主要从事植物病原真菌稻瘟菌和赤霉菌的生物学与分子遗传学研究,在Science,Nature,Genome Research, PNAS,Genes & Development,Plant Cell,Annual Rev. of Phytopathology,Nature Communications,PLoS Pathogens,PLoS Genetics,New Phytologist,Current Opinion in Microbiology等刊物发表SCI论文110多篇。

刘慧泉,西北农林科技大学研究员、博士生导师。主要从事小麦赤霉病研究,利用基因组学、生物信息学和功能基因组学等手段揭示小麦赤霉病病原禾谷镰刀菌有性发育和侵染生长的调控机理。研究结果在Genome Research,PNAS,PLoS Pathogens,New Phytologist,Environmental Microbiology等期刊上发表论文30多篇,论文总被引频次超过900次(据谷歌学术)。研究工作先后得到全国优秀博士论文作者专项基金、陕西省创新人才推进计划-青年科技新星、国家优秀青年基金、农业部“杰出青年农业科学家”等项目资助。

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