ADAR1與非編碼 RNAs的研究進展

周晶晶，周　艷，聶勇戰，李小安△

1.成都醫學院第一附屬醫院(成都　610500)；2.第四軍醫大學西京醫院(西安　710032)

ADAR1與非編碼 RNAs的研究進展

周晶晶1，周艷1，聶勇戰2，李小安1△

1.成都醫學院第一附屬醫院(成都610500)；2.第四軍醫大學西京醫院(西安710032)

【關鍵詞】RNA編輯；ADAR1；非編碼RNAs

作用于RNA的腺苷脫氨酶1(adenosine to inosine acting on RNA enzyme 1，ADAR1)是RNA編輯酶家族成員之一，其可催化雙鏈RNA上腺嘌呤轉換為次黃嘌呤，并將次黃嘌呤識別為鳥嘌呤，與胞嘧啶配對[1]。ADAR1介導的A-to-I RNA編輯作為一種重要的轉錄后修飾方式，改變了遺傳信息，從而產生蛋白質結構及功能的多樣性，成為中心法則的一個重要補充。人類ADAR1基因位于染色體 1q 21.3， 全長30 Kbp[2]，廣泛存在于哺乳動物體內，與胚胎發育、造血系統維護、免疫調節及疾病的發生發展密切相關。近期，高通量測序結果發現，上百萬個A-to-I RNA編輯位點位于非編碼區域，說明ADAR1與非編碼RNAs之間存在密切聯系。

1ADAR1生物學功能

ADAR家族包括3個主要成員：ADAR1，ADAR2及ADAR3，它們在脊椎動物中的基因序列高度保守。ADAR1 和 ADAR2表達廣泛，而 ADAR3 僅在動物腦組織中被發現。ADAR1是目前研究最為明確，且生物學功能尤為重要的RNA編輯酶。最初發現ADAR1有兩個亞型，即全長的p150及較短的p110，隨后Nie等[3]發現，ADAR1存在第3個亞型p80。3個亞型的存在方式、結構及功能均有所差異。p150基因受干擾素誘導其轉錄和翻譯，p110和p80則可直接合成。p150主要存在于胞漿中，p110存在于細胞核，p80存在于核仁[3]。ADAR1亞型的共同結構域為 C-末端催化脫氨酶結構域 (DM)、N-末端雙鏈RNA 結合結構域(dsRBDs)。ADAR1 全長蛋白質p150中含有N-末端Zα、出核信號 (NES) 和 Zβ 結構域，p110亞型的結構域與p150相比較，少了出核信號(NES)及Zα結構域[3]。p80與p110相比則缺少Zβ及1個dsRBD結構域。 ADAR1生物學功能主要分為兩種：一是ADAR1以雙鏈RNA(dsRNA)為底物，催化腺嘌呤水解脫氨突變為次黃嘌呤，主要由C-末端催化脫氨酶結構域 (DM)發揮RNA編輯作用，影響遺傳信息的編碼，豐富蛋白質的多樣性；另一種是ADAR1與雙鏈RNA結合蛋白相互作用，由C-末端催化脫氨酶結構域 (DM)及N-末端雙鏈RNA 結合結構域(dsRBDs)發揮作用，參與哺乳動物體內的一系列生物學過程。研究[4]發現，ADAR1編輯作用阻止 MDA5(雙鏈RNA的胞內傳感器)對內源性雙鏈RNA的識別功能，是免疫系統區別自我和非我dsRNA的1個重要新機制。ADAR1相互作用蛋白主要分為兩類，一類是早期發現能被ADAR1編輯的相互作用蛋白，如PKR[5]；另一類是不依賴編輯功能，直接與ADAR1相互作用的蛋白，如核因子NF45、NF90[6]，隨后還發現移碼突變蛋白1(Upf1)[7]以及Dicer酶[8][RNA誘導基因沉默復合體(RISC)成員之一]，它們與ADAR1共同作用，在機體內發揮重要的生物學功能。

ADAR1介導A-to-I RNA編輯的主要機制：通過改變密碼子，引起氨基酸序列mRNA翻譯過程的變化；對pre-mRNA剪接位點的識別；參與RNAi干擾機制；影響病毒RNA的復制過程及RNA合成過程。以往有研究[9]報道，ADAR1通過對雙鏈RNA的編輯來抑制病毒的復制。而Nie等[10]發現，ADAR1抑制病毒的復制不依賴編輯功能，而是由其dsRBDs 發揮作用，與蛋白激酶PKR相互作用，抑制EIF2AK2磷酸化，從而抑制皰疹病毒(VSV)復制，該發現對病毒免疫機制的深入研究具有促進作用。隨后有大量研究[10-12]也相繼證實了該結論，如抑制丙型肝炎病毒(HCV)、人類T細胞性白血病病毒(HTLV)以及人類免疫缺陷病毒(HIV)的復制等。

ADAR1編輯活性與人類疾病的發生發展密切相關[13]。ADAR1介導的編輯功能障礙會引起遺傳性疾病、自身免疫性疾病、神經系統性疾病、心血管疾病和癌癥等。近幾年，越來越多的研究[14-15]發現，ADAR1的異常編輯及表達對腫瘤的發生發展有極大影響，如慢性粒細胞性白血病、食管癌、惡性黑色素瘤及肝癌等，其可能成為某些腫瘤的生物標志物。因此，已有研究[16-17]試圖在體內集中修改ADAR1活性并更正 RNA 編輯功能，發現ADAR脫氨酶結構域可作為一個潛在的新工具，用于校正不相關 RNA 編輯事件的遺傳性疾病。

2ADAR1與非編碼RNAs

哺乳動物基因組的10%為蛋白質編碼基因，90%為非編碼區，可以轉錄，但不能翻譯，且功能尚不明確[18]。非編碼RNAs包括microRNA(miRNA)、小干擾RNA(siRNA)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)、小核RNA(snRNAs)及核仁小分子RNA(snoRNA)等。有趣的是，近期研究[19-20]發現，大量的A-to-I RNA編輯位點位于非編碼區域，這一結果暗示，ADAR1與非編碼RNAs之間存在密切聯系。

2.1ADAR1與miRNA

miRNA是一種重要的小非編碼RNA，是在真核生物中發現的一類內源性具有調控功能的非編碼RNA，其長度約22個核苷酸。成熟的miRNAs是由較長的初級轉錄物經過核酸酶的剪切加工而產生的，隨后組裝進RNA誘導的沉默復合體，通過堿基互補配對的方式識別靶mRNA，并根據互補程度的不同指導沉默復合體降解或阻遏靶mRNA的翻譯[21]。miRNA參與疾病的發生發展，可作為某些疾病的特異性標志物[22]。具有發卡結構的pri-miRNA和pre-miRNA均可作為ADAR1底物而被編輯，影響miRNA合成。

在細胞核內，pri-miRNA及其發夾結構是由Drosha/DGR8復合物對其進行加工處理[7]。RNA 編輯器可能會影響有發夾結構的pri-miRNA的合成過程。出核后，其被Dicer酶剪切成為pre-miRNA。研究[23]發現，ADAR1p110介導pri-miR-142編輯后將被Tudor-SN降解，pre-miR-142的合成受到抑制，最終導致Dicer復合體對其進一步加工形成成熟miRNA的表達下降。另有研究[24]結果顯示：人體內大約有16% 的pri-miRNA發生A-to-I RNA編輯，被編輯的pri-miRNA可能會影響Drosha或Dicer的切割功能。在成年人的大腦中大約有20%的pri-miRNA能被編輯，只有少數成熟的miRNAs發生編輯的頻率較為顯著(>5%被編輯)[25]。Luciano等[26]研究表明pre-miR-22在人體及小鼠體內廣泛存在且能被ADAR1 及ADAR2編輯。為了發現更多的編輯位點及被編輯的miRNA，有研究者采用RNA-seq及生物信息學結合分析，結果發現44個miRNA存在RNA編輯位點，暗示RNA編輯與miRNA有潛在聯系。

Ota等[8]對RNA編輯機制與RNA干擾(RNAi)機制的相互作用進行研究，發現ADAR1可與Dicer酶通過蛋白質-蛋白質相互作用形成復合物。有趣的是，ADAR1能增高pre-miRNA被Dicer酶切割的速率，并能促進miRNA裝載到RNA誘導沉默復合物上，影響miRNA的合成。ADAR1在RNA編輯和RNAi中的功能是不同的，這主要是通過分別形成ADAR1/ADAR1同源二聚體或Dicer酶/ADAR1異源二聚體復合物來實現，此外，在敲除ADAR1的小鼠胚胎中，miRNA合成將受到抑制，導致miRNA靶基因的表達也同時受到影響[8]。Shoshan等[27]在體內、外實驗中發現，降低miR-455-5p的 A-to-I編輯功能能促進黑色素瘤的增殖和轉移，提示ADAR1編輯的miRNAs可能與疾病的發生發展相關。

2.2ADAR1與 siRNA

siRNA是一種小RNA分子，長度約25個核苷酸，由Dicer加工而成。siRNA是siRISC主要成員，激發與之互補的目標mRNA沉默，其與miRNA的不同點在于miRNA是內源性的單鏈小RNA，而siRNA是由人工合成的雙鏈小RNA，兩者的功能也各不相同。siRNA是由長dsRNA分子產生的特異性小雙鏈RNA片段。許多有dsRBDs結構域的蛋白質參與了RNA干擾機制，如Dicer、Drosha、DGCR8、TRBP以及 ADAR1。在細胞核內，被ADAR1編輯的長dsRNA將保留在胞核內或被Turdo-SN降解。dsRNAs出核進入到細胞質中，并由Dicer對 siRNA進行加工[28]。因此，ADAR1編輯的dsRNA將減少siRNA的生成。

Heale等[29]在果蠅體內發現，ADAR1 p150既能與Dicer-2切割下的短dsRNA結合，又能和Dicer競爭結合長dsRNA，抑制siRNA的合成。研究[30]發現，在小鼠成纖維細胞胞質中的ADAR1p150與 siRNA 緊密結合，通過siRNA基因沉默，對ADAR1純合子無效突變的影響比野生型細胞更明顯，結果表明，在哺乳動物細胞內，ADAR1p150作為細胞因子限制siRNA效能(如P19)，并通過降低siRNA的合成將其與RISC結合。另有研究[8]揭示，A-to-I RNA編輯和RNAi復合物可通過競爭相互作用于dsRNA，并影響siRNA的合成。簡言之，ADAR1的全長亞基p150能特異性與siRNA結合，使siRNA干擾效率受到限制[31-32]。

2.3ADAR1與lncRNAs

基因測序結果發現，lncRNAs在轉錄組中占很大一部分，最近幾年，已有數以萬計的lncRNAs被發現，其轉錄本長度大于200個核苷酸[33]。許多lncRNAs被認為有二級結構折疊，可能成為RNA編輯的底物。高通量RNA測序結果發現，在很多人類轉錄組中，lncRNAs(如Jpx和Malat 1)存在A-to-I編輯位點[34]。雖然被編輯的lncRNAs已有報道，但其生物學功能尚不清楚。通過ADAR1對其他非編碼RNA的作用機制推測其可能存在的分子機制：首先，被ADAR1編輯的lncRNAs有部分可能留在細胞核內，運輸至胞漿的lncRNAs將會切割ADAR1編輯的3′-UTR，從而影響其合成，如CTN-RNA[35]；其次，ADAR1可以編輯lncRNAs的位點，使其功能發生改變；最后，ADAR1可能與其他雙鏈RNA結合蛋白競爭結合lncRNAs。簡言之，依賴或不依賴編輯活性，ADAR1對lncRNA的合成及功能都有重要調節作用。

3展望

發現ADAR1介導的A-to-I RNA 編輯已近30年，對其生物學功能的研究已取得較大進展，但仍有許多機制尚不明確。目前還不清楚在哺乳動物體內，ADAR1介導的A-to-I RNA 編輯是否能作為一種機制代替RNAi；ADAR1是否與其他蛋白質相互作用，發揮新的生物學功能。 此外，ADAR1是否能作為其他疾病的標志物，為疾病發生發展提供潛在的診療依據及方案也未知。在各種生物體內對RNA編輯位點進行基因組測序發現，在非編碼RNAs上存在大量新的A-to-I編輯位點[36-38]，提示ADAR1可能在其中扮演著極其重要的作用。因此，研究ADAR1與非編碼RNAs之間存在的新分子機制及生物學意義將是未來研究的新熱點。

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通信作者:△李小安,E-mail:435445611@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1674-2257.2016.02.031

【中圖分類號】Q75

【文獻標志碼】A

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1705.R.20160418.1126.016.html

·綜述·