iScience | 陆剑课题组与合作者揭示A-to-I RNA编辑的趋同适应性演化

2020年12月21日，北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室陆剑课题组与特拉维夫大学的Eli Eisenberg教授合作在《iScience》上发表了题为“A-to-I RNA editing in honeybees shows signals of adaptation and convergent evolution”的论文。该工作以蜜蜂为研究对象，解析了蜜蜂A-to-I RNA编辑的适应性演化，以及蜜蜂和果蝇里RNA编辑的趋同适应现象。

由ADAR（adenosine deaminase acting on RNA）蛋白介导的腺嘌呤到次黄嘌呤（A-to-I）的RNA编辑是后生动物中广泛存在的转录后修饰。由于I会被识别为G，因此A-to-I RNA编辑在不改变基因组序列的情况下，时空特异性地增加了转录组和蛋白组的多样性。陆剑课题组之前的工作已经报道了在果蝇中存在大量改变氨基酸的非同义RNA编辑位点（Nonsyn），这些编辑位点呈现出适应性信号，受到正向自然选择（Duan et al., 2017, PLoS Genetics），并且这些成簇分布的、具有适应性的非同义RNA编辑事件倾向于连锁在相同mRNA分子上，也就是同时被编辑（Duan et al., 2018, Molecular Biology and Evolution）。

为了在更大的进化尺度上探究A-to-I RNA编辑是否具有适应性，该课题组以西方蜜蜂（Apis mellifera）为材料进行RNA编辑组的研究。该研究充分利用了雄蜂（drone）是单倍体这一优势，通过对4个雄蜂个体的基因组测序和不同组织的转录组测序，系统地鉴定出了407个高可信度的A-to-I编辑位点。在407个高可信度编辑位点中，111个是改变氨基酸的非同义编辑位点（Nonsyn，改变蛋白质序列），而只有9个是同义编辑位点（Syn，不改变蛋白质序列）。编辑位点在头里面丰度最高，包括了108个Nonsyn与8个Syn位点，这与头中Adar基因表达量高是相符合的。与Syn位点相比，Nonsyn位点呈现出非常强的适应性演化信号：（1）Nonsyn在编码区中出现的频率显著高于中性（随机）情况下的预期值（图1A）；（2）Nonsyn比Syn位点有更高的编辑水平（图1B）。该现象与之前在果蝇中观测到的结果非常一致（Duan et al., 2017, PLoS Genetics）。

图1，蜜蜂RNA编辑组的适应性信号。（A）头里面Nonsyn与Syn位点数量的比值显著地高于中性条件下的预期值。（B）Nonsyn位点的编辑水平显著地高于Syn位点的编辑水平。

接下来，作者探究了西方蜜蜂和黑腹果蝇的保守编辑位点。发现，保守的位点较少，在编码区中只有4个Nonsyn与1和Syn位点在蜜蜂和果蝇中保守。但是，虽然位置不保守，很多编辑位点却发生在相同的基因上。例如，基因Adar上有一个改变氨基酸的“自身编辑位点”，发生编辑之后会对ADAR蛋白的活性产生影响，对整体RNA编辑活性形成反馈调节。而在果蝇和蜜蜂两个进化枝上独立演化出了这个具有调控作用的自身编辑位点（图2A）。作者进一步结合之前报道的大黄蜂（Bombus terrestris）里的编辑位点（Porath et al., 2019, Nature Communications），统计发现，在黑腹果蝇、西方蜜蜂、大黄蜂三个物种编码区发生编辑的基因中，同源基因的交集数量显著高于随机抽取相同数量基因所得的同源基因数量（图2B、2C），在两两物种之间或者三个物种之间都是一致的比较结果。因此，可以得出的结论是，在果蝇和蜜蜂两个相距较远的进化枝上，同源基因在编码区中独立演化出了编辑位点（图2D）。虽然编辑位点的位置不保守，但在各自的进化枝上都展现出适应性信号。这种趋同演化现象进一步支持了RNA编辑的适应性假说。

图2，蜜蜂和果蝇RNA编辑的趋同适应性演化。

（A）在基因Adar上，果蝇和蜜蜂两个进化枝独立演化出改变氨基酸的自身编辑位点。（B）黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）、西方蜜蜂（Apis mellifera）、大黄蜂（Bombus terrestris）三个物种编码区发生编辑的同源基因的数量。（C）发生编辑的同源基因数量显著高于随机抽取相同数量基因所得的结果。（D）在黑腹果蝇、西方蜜蜂、大黄蜂中，同源基因独立获得编辑位点，呈现出趋同演化。

分子生物学家Francois Jacob于1977年提出了演化的“修补理论”(Evolution and Tinkering), 认为演化是不完美的，是一个不断修补的过程；演化修补更有可能是通过改变基因表达实现；自然选择是驱动演化修补的重要力量。本项研究工作提示，RNA编辑可能是驱动物种演化修补过程的一种重要分子机制。

陆剑研究员和特拉维夫大学的Eli Eisenberg教授为该论文的共同通讯作者。生命科学联合中心（CLS）博士毕业生段元格是论文的第一作者。陆剑课题组已毕业博士生窦圣乾、以色列巴伊兰大学Hagit Porath博士、以及中国农业科学院黄家兴研究员也为该工作做出重要贡献。该项研究得到了科技部、国家自然科学基金委（NSFC）和以色列科学基金会（ISF）的支持。

原文链接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(20)31180-9

参考文献链接：

[1] Y. Duan#, S. Dou#, S. Luo#, H. Zhang and J. Lu. Adaptation of A-to-I RNA editing in Drosophila. PLoS Genetics. 2017, 13: e1006648. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1006648

[2] Y. Duan#, S. Dou#, H. Zhang#, C. Wu, M. Wu and J. Lu. Linkage of A-to-I RNA editing in metazoans and the impact on genome evolution. Molecular Biology and Evolution. 2018, 35: 132-148. https://doi.org/10.1093/molbev/msx274

[3] H. Porath, E. Hazan, H. Shpigler, M. Cohen, M. Band, Y. Ben-Shahar, E. Levanon, E. Eisenberg and G. Bloch. RNA editing is abundant and correlates with task performance in a social bumblebee. Nature Communications. 2019, 10. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09543-w