PNAS：西北農林 「千人計劃」專家許金榮團隊在真菌RNA編輯領域取得重要進展

BioArt Plants按：A-to-I RNA編輯是一種重要的遺傳信息修飾機制，它將RNA分子中的腺苷（A）脫氨基轉變為肌苷（I），而肌苷在翻譯過程中被識別為鳥苷（G），可導致遺傳信息發生AG突變。A-to-I編輯在動物中普遍存在，由ADAR酶催化完成，ADAR是動物中特異進化出來的，動物以外的其它物種尚未發現A-to-I編輯。近日，西北農林科技大學「千人計劃」 專家許金榮教授團隊在美國國家科學院院刊（PNAS）在線發表了題為「A-to-I RNA editing is developmentally regulated and generally adaptive for sexual reproduction inNeurospora crassa」的研究論文。該工作發現了小麥赤霉病病原真菌—禾穀鐮刀菌中一種不依賴於ADAR的A-to-I RNA編輯新機制，該機制特異發生在禾穀鐮刀菌有性生殖階段。本研究發現，A-to-I RNA編輯在真菌有性發育的不同時期具有階段特異的調控，而且由其導致的氨基酸改變對物種來說通常是有益的，進化上受到正向選擇。該研究也證明，A-to-I RNA編輯是絲狀子囊真菌中的一種保守表觀遺傳調控機制，作為DNA變異機制的補充，是真菌適應性進化的重要驅動力。本研究還鑒定出了四百多個進化保守的編輯位點，成為揭開A-to-I編輯事件重要功能的寶貴資源。由於有性生殖產生的子囊孢子是小麥赤霉病發生的主要侵染源，這一發現對小麥赤霉病病害防控也具有指導意義。值得一提的是，該研究是繼2016年該團隊在Genome Research上發表封面論文首次報道了禾穀鐮刀菌中存在A-to-I RNA編輯之後，在RNA編輯領域取得的又一重要進展。

劉慧泉研究員為該論文的第一作者，同時與許金榮教授為論文的共同通訊作者，來自西農-普度聯合研究中心的研究生黎陽、陳代朋、齊朝妹，博士後王秦虎，副研究員王建華和江聰也都參與了該研究，做出了重要貢獻。論文第一署名單位為西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室。該研究得到了國家優秀青年基金和公益性行業（農業）科研專項等項目的資助。

論文解讀 劉慧泉 研究員

由禾穀鐮刀菌（Fusarium graminearum）引起的小麥赤霉病是影響我國糧食安全和人畜健康的重大真菌病害。禾穀鐮刀菌有性生殖產生的子囊孢子是病害發生的主要侵染源，因此，禾穀鐮刀菌的有性生殖對病害發生至關重要。許金榮團隊在研究禾穀鐮刀菌有性發育調控的過程中發現了A-to-I RNA編輯現象，在有性生殖產生的成熟子囊殼樣品中鑒定到兩萬六千多個編輯位點，其中超過64%的位點為非同義編輯，引起氨基酸替代1。真菌中這種情況與哺乳動物中報道的A-to-I編輯截然不同，在哺乳動物中絕大部分編輯位點位於非編碼區，不影響氨基酸序列。例如，人當中已鑒定到三百多萬個編輯位點，僅有五百多個位點能夠引起氨基酸替代2。真菌中A-to-I編輯的發現引出來一系列問題，例如，A-to-I編輯是否也廣泛發生於其它真菌中？編輯位點是否在不同真菌間保守？其在真菌有性發育過程中的發生動態如何？主要調控功能是什麼？這種大規模的非同義A-to-I編輯是適應選擇的結果還是隨機發生的？這些編輯位點在進化上有什麼意義？為了探究這些問題，團隊選用粗糙脈胞菌（Neurospora crassa）為研究系統，粗糙脈胞菌是一種重要的模式絲狀真菌，具有豐富的遺傳學和基因組學資源，非常適宜於研究A-to-I編輯機制。

團隊對粗糙脈胞菌有性發育不同時期的A-to-I編輯情況進行了系統性研究，發現A-to-I編輯也廣泛發生在粗糙脈孢菌有性生殖階段，總共鑒定出四萬多個編輯位點，與禾穀鐮刀菌中的類似，也是大部分位於編碼區內，導致氨基酸發生改變。研究發現，編輯在有性發育的早期（子囊殼形成時期）已經開始發生，但在子囊和子囊孢子發育過程中大量發生。有意思的是，大部分編輯位點只發生在有性發育的特定階段，所有階段都發生編輯的位點只有二千多個，而且編輯位點在不同發育階段的編輯效率（水平）存在很大差異，通常在子囊和子囊孢子發育過程中編輯位點的編輯效率最高，預示著RNA編輯在該過程中的重要作用。

Properties of the nonsynonymous editing sites inN. crassa.

粗糙脈胞菌和禾穀鐮刀菌中的A-to-I編輯都能夠導致有性發育階段表達的半數以上基因編碼的蛋白序列發生改變。大部分與有性生殖和表觀遺傳調控（如DNA甲基化、組蛋白修飾、RNA沉默）有關的基因表達的產物被強烈編輯。特別有意思的是，在粗糙脈胞菌和禾穀鐮刀菌中分別發現了50個和70個假基因，這些假基因的編碼區內存在提前終止密碼子，在有性生殖階段提前終止密碼子被A-to-I編輯修復為氨基酸密碼子使假基因重新獲得了編碼全長蛋白的能力。絕大部分假基因在有性階段特異或上調錶達，基因功能驗證發現部分假基因在有性發育中具有重要功能，而RNA編輯對假基因功能的行使至關重要。這些結果表明A-to-I編輯對真菌有性發育和其它表觀遺傳學機制具有重要調控作用。

粗糙脈胞菌和禾穀鐮刀菌進化距離約350萬年，相當於人和青蛙間的差距。研究發現這兩種真菌之間存在450多個保守編輯位點，其中絕大多數為非同義編輯，導致氨基酸替代。相反，哺乳動物雖然存在大量編輯位點，但保守的非同義編輯只有三十多個3。真菌中這些保守編輯位點的編輯效率普遍較高，表明其具有潛在功能重要性，這些保守編輯位點以及其所在的基因是揭開A-to-I編輯事件對蛋白功能影響的寶貴資源。

人當中導致氨基酸改變的非同義編輯一般不具有適應性4。但進化分析表明粗糙脈孢菌中非同義編輯在進化中受到正選擇。一方面，非同義編輯可增加有性階段的蛋白組多樣性（「雜合」優勢），由平衡選擇維持；另一方面，一些編輯產生的蛋白變體本身可能有益，受到定向選擇，此類編輯位點的編輯水平通常較高。分析禾穀鐮刀菌中的編輯位點，也可得出同樣的結論5，說明真菌中的非同義編輯通常具有適應優勢。無獨有偶，近期果蠅中也發現腦組織中的和進化保守的非同義編輯一般也具有適應性6-8。

真菌中A-to-I編輯目前只在有性生殖階段發現。動物中A-to-I編輯雖然也有組織和發育階段偏好性，但幾乎所有組織都能夠檢測到大量編輯事件2。一個重要而又難以回答的問題是A-to-I編輯為什麼大量發生在真菌有性生殖階段？有性生殖的一個重要優勢是通過減數分裂期間的同源重組增加物種遺傳多樣性，從而增加其環境適應性。相應地，也有報道稱真菌減數分裂過程中的自發突變速率升高。RNA編輯被認為可以在表觀遺傳學水平上增加蛋白組多樣性，從而利於適應性進化9。的確，動物中已有研究證明RNA編輯通過增加蛋白柔韌性利於溫度適應10-12。真菌有性生殖階段存在的大量非同義編輯可極大地增加蛋白組多樣性從而利於真菌快速適應環境，進化分析也確實證明粗糙脈胞菌中A-to-I編輯增加的蛋白組多樣性是被自然選擇所維持的。此外，由於遺傳重組和自發突變導致的變異是永恆的，剛性的，因而功能上受到強烈約束的基因通常進化上非常保守，很難發生DNA變異。相反，研究發現越是進化保守的基因（功能受到強烈約束）上發生的A-to-I編輯的頻率和強度越高，表明真菌A-to-I編輯主要用於增加那些通過DNA變異難以實現的基因的蛋白多樣性。因此，發生在有性生殖階段的A-to-I編輯是真菌適應性進化的重要驅動力。

這一發現對小麥赤霉病病害防控也具有指導意義。禾穀鐮刀菌有性生殖在越冬的病殘體上發生，次年春天子囊孢子產生和釋放需要適應不同的溫度和環境條件，因此，A-to-I編輯很可能通過增加蛋白多樣性，提高病菌的溫度和環境適應性。鑒於A-to-I編輯對真菌有性發育和物種進化的重要作用，A-to-I編輯系統將是理想的靶標，阻止RNA編輯的發生，有望減少赤霉病初侵染源，降低其溫度和環境適應性，從而達到病害防控的目的。

主要參考文獻

1Liu, 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).

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

3Pinto, 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).

5Wang, 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).

6Yu, 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).

7Zhang, 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).

8Duan, 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).

9Gommans, 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).

10Garrett, 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).

11Garrett, 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).

12Savva, 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).

通訊作者簡介

許金榮，西北農林科技大學國家「千人計劃」專家、長江學者講座教授，美國普度大學植物與植物病理系教授，博士生導師。中國植物病理學會榮譽副理事長、美國植物病理學會、遺傳學會和真菌學會成員。曾任BMC Microbiology副主編和Molecular Microbiology編委，現任PLoS Pathogens和BMC Genomics副主編，Scientific Reports和Eukaryotic Cell編委。主要從事植物病原真菌稻瘟菌和赤黴菌的生物學與分子遺傳學研究，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等刊物發表SCI論文110多篇。

劉慧泉，西北農林科技大學研究員、博士生導師。主要從事小麥赤霉病研究，利用基因組學、生物信息學和功能基因組學等手段揭示小麥赤霉病病原禾穀鐮刀菌有性發育和侵染生長的調控機理。研究結果在Genome Research，PNAS，PLoS Pathogens，New Phytologist，Environmental Microbiology等期刊上發表論文30多篇，論文總被引頻次超過900次（據谷歌學術）。研究工作先後得到全國優秀博士論文作者專項基金、陝西省創新人才推進計劃-青年科技新星、國家優秀青年基金、農業部「傑出青年農業科學家」等項目資助。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！