ADAR1与非编码 RNAs的研究进展

周晶晶，周　艳，聂勇战，李小安△

1.成都医学院第一附属医院(成都　610500)；2.第四军医大学西京医院(西安　710032)

ADAR1与非编码 RNAs的研究进展

周晶晶1，周艳1，聂勇战2，李小安1△

1.成都医学院第一附属医院(成都610500)；2.第四军医大学西京医院(西安710032)

【关键词】RNA编辑；ADAR1；非编码RNAs

作用于RNA的腺苷脱氨酶1(adenosine to inosine acting on RNA enzyme 1，ADAR1)是RNA编辑酶家族成员之一，其可催化双链RNA上腺嘌呤转换为次黄嘌呤，并将次黄嘌呤识别为鸟嘌呤，与胞嘧啶配对[1]。ADAR1介导的A-to-I RNA编辑作为一种重要的转录后修饰方式，改变了遗传信息，从而产生蛋白质结构及功能的多样性，成为中心法则的一个重要补充。人类ADAR1基因位于染色体 1q 21.3， 全长30 Kbp[2]，广泛存在于哺乳动物体内，与胚胎发育、造血系统维护、免疫调节及疾病的发生发展密切相关。近期，高通量测序结果发现，上百万个A-to-I RNA编辑位点位于非编码区域，说明ADAR1与非编码RNAs之间存在密切联系。

1ADAR1生物学功能

ADAR家族包括3个主要成员：ADAR1，ADAR2及ADAR3，它们在脊椎动物中的基因序列高度保守。ADAR1 和 ADAR2表达广泛，而 ADAR3 仅在动物脑组织中被发现。ADAR1是目前研究最为明确，且生物学功能尤为重要的RNA编辑酶。最初发现ADAR1有两个亚型，即全长的p150及较短的p110，随后Nie等[3]发现，ADAR1存在第3个亚型p80。3个亚型的存在方式、结构及功能均有所差异。p150基因受干扰素诱导其转录和翻译，p110和p80则可直接合成。p150主要存在于胞浆中，p110存在于细胞核，p80存在于核仁[3]。ADAR1亚型的共同结构域为 C-末端催化脱氨酶结构域 (DM)、N-末端双链RNA 结合结构域(dsRBDs)。ADAR1 全长蛋白质p150中含有N-末端Zα、出核信号 (NES) 和 Zβ 结构域，p110亚型的结构域与p150相比较，少了出核信号(NES)及Zα结构域[3]。p80与p110相比则缺少Zβ及1个dsRBD结构域。 ADAR1生物学功能主要分为两种：一是ADAR1以双链RNA(dsRNA)为底物，催化腺嘌呤水解脱氨突变为次黄嘌呤，主要由C-末端催化脱氨酶结构域 (DM)发挥RNA编辑作用，影响遗传信息的编码，丰富蛋白质的多样性；另一种是ADAR1与双链RNA结合蛋白相互作用，由C-末端催化脱氨酶结构域 (DM)及N-末端双链RNA 结合结构域(dsRBDs)发挥作用，参与哺乳动物体内的一系列生物学过程。研究[4]发现，ADAR1编辑作用阻止 MDA5(双链RNA的胞内传感器)对内源性双链RNA的识别功能，是免疫系统区别自我和非我dsRNA的1个重要新机制。ADAR1相互作用蛋白主要分为两类，一类是早期发现能被ADAR1编辑的相互作用蛋白，如PKR[5]；另一类是不依赖编辑功能，直接与ADAR1相互作用的蛋白，如核因子NF45、NF90[6]，随后还发现移码突变蛋白1(Upf1)[7]以及Dicer酶[8][RNA诱导基因沉默复合体(RISC)成员之一]，它们与ADAR1共同作用，在机体内发挥重要的生物学功能。

ADAR1介导A-to-I RNA编辑的主要机制：通过改变密码子，引起氨基酸序列mRNA翻译过程的变化；对pre-mRNA剪接位点的识别；参与RNAi干扰机制；影响病毒RNA的复制过程及RNA合成过程。以往有研究[9]报道，ADAR1通过对双链RNA的编辑来抑制病毒的复制。而Nie等[10]发现，ADAR1抑制病毒的复制不依赖编辑功能，而是由其dsRBDs 发挥作用，与蛋白激酶PKR相互作用，抑制EIF2AK2磷酸化，从而抑制疱疹病毒(VSV)复制，该发现对病毒免疫机制的深入研究具有促进作用。随后有大量研究[10-12]也相继证实了该结论，如抑制丙型肝炎病毒(HCV)、人类T细胞性白血病病毒(HTLV)以及人类免疫缺陷病毒(HIV)的复制等。

ADAR1编辑活性与人类疾病的发生发展密切相关[13]。ADAR1介导的编辑功能障碍会引起遗传性疾病、自身免疫性疾病、神经系统性疾病、心血管疾病和癌症等。近几年，越来越多的研究[14-15]发现，ADAR1的异常编辑及表达对肿瘤的发生发展有极大影响，如慢性粒细胞性白血病、食管癌、恶性黑色素瘤及肝癌等，其可能成为某些肿瘤的生物标志物。因此，已有研究[16-17]试图在体内集中修改ADAR1活性并更正 RNA 编辑功能，发现ADAR脱氨酶结构域可作为一个潜在的新工具，用于校正不相关 RNA 编辑事件的遗传性疾病。

2ADAR1与非编码RNAs

哺乳动物基因组的10%为蛋白质编码基因，90%为非编码区，可以转录，但不能翻译，且功能尚不明确[18]。非编码RNAs包括microRNA(miRNA)、小干扰RNA(siRNA)、长链非编码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]发现，大量的A-to-I RNA编辑位点位于非编码区域，这一结果暗示，ADAR1与非编码RNAs之间存在密切联系。

2.1ADAR1与miRNA

miRNA是一种重要的小非编码RNA，是在真核生物中发现的一类内源性具有调控功能的非编码RNA，其长度约22个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解或阻遏靶mRNA的翻译[21]。miRNA参与疾病的发生发展，可作为某些疾病的特异性标志物[22]。具有发卡结构的pri-miRNA和pre-miRNA均可作为ADAR1底物而被编辑，影响miRNA合成。

在细胞核内，pri-miRNA及其发夹结构是由Drosha/DGR8复合物对其进行加工处理[7]。RNA 编辑器可能会影响有发夹结构的pri-miRNA的合成过程。出核后，其被Dicer酶剪切成为pre-miRNA。研究[23]发现，ADAR1p110介导pri-miR-142编辑后将被Tudor-SN降解，pre-miR-142的合成受到抑制，最终导致Dicer复合体对其进一步加工形成成熟miRNA的表达下降。另有研究[24]结果显示：人体内大约有16% 的pri-miRNA发生A-to-I RNA编辑，被编辑的pri-miRNA可能会影响Drosha或Dicer的切割功能。在成年人的大脑中大约有20%的pri-miRNA能被编辑，只有少数成熟的miRNAs发生编辑的频率较为显著(>5%被编辑)[25]。Luciano等[26]研究表明pre-miR-22在人体及小鼠体内广泛存在且能被ADAR1 及ADAR2编辑。为了发现更多的编辑位点及被编辑的miRNA，有研究者采用RNA-seq及生物信息学结合分析，结果发现44个miRNA存在RNA编辑位点，暗示RNA编辑与miRNA有潜在联系。

Ota等[8]对RNA编辑机制与RNA干扰(RNAi)机制的相互作用进行研究，发现ADAR1可与Dicer酶通过蛋白质-蛋白质相互作用形成复合物。有趣的是，ADAR1能增高pre-miRNA被Dicer酶切割的速率，并能促进miRNA装载到RNA诱导沉默复合物上，影响miRNA的合成。ADAR1在RNA编辑和RNAi中的功能是不同的，这主要是通过分别形成ADAR1/ADAR1同源二聚体或Dicer酶/ADAR1异源二聚体复合物来实现，此外，在敲除ADAR1的小鼠胚胎中，miRNA合成将受到抑制，导致miRNA靶基因的表达也同时受到影响[8]。Shoshan等[27]在体内、外实验中发现，降低miR-455-5p的 A-to-I编辑功能能促进黑色素瘤的增殖和转移，提示ADAR1编辑的miRNAs可能与疾病的发生发展相关。

2.2ADAR1与 siRNA

siRNA是一种小RNA分子，长度约25个核苷酸，由Dicer加工而成。siRNA是siRISC主要成员，激发与之互补的目标mRNA沉默，其与miRNA的不同点在于miRNA是内源性的单链小RNA，而siRNA是由人工合成的双链小RNA，两者的功能也各不相同。siRNA是由长dsRNA分子产生的特异性小双链RNA片段。许多有dsRBDs结构域的蛋白质参与了RNA干扰机制，如Dicer、Drosha、DGCR8、TRBP以及 ADAR1。在细胞核内，被ADAR1编辑的长dsRNA将保留在胞核内或被Turdo-SN降解。dsRNAs出核进入到细胞质中，并由Dicer对 siRNA进行加工[28]。因此，ADAR1编辑的dsRNA将减少siRNA的生成。

Heale等[29]在果蝇体内发现，ADAR1 p150既能与Dicer-2切割下的短dsRNA结合，又能和Dicer竞争结合长dsRNA，抑制siRNA的合成。研究[30]发现，在小鼠成纤维细胞胞质中的ADAR1p150与 siRNA 紧密结合，通过siRNA基因沉默，对ADAR1纯合子无效突变的影响比野生型细胞更明显，结果表明，在哺乳动物细胞内，ADAR1p150作为细胞因子限制siRNA效能(如P19)，并通过降低siRNA的合成将其与RISC结合。另有研究[8]揭示，A-to-I RNA编辑和RNAi复合物可通过竞争相互作用于dsRNA，并影响siRNA的合成。简言之，ADAR1的全长亚基p150能特异性与siRNA结合，使siRNA干扰效率受到限制[31-32]。

2.3ADAR1与lncRNAs

基因测序结果发现，lncRNAs在转录组中占很大一部分，最近几年，已有数以万计的lncRNAs被发现，其转录本长度大于200个核苷酸[33]。许多lncRNAs被认为有二级结构折叠，可能成为RNA编辑的底物。高通量RNA测序结果发现，在很多人类转录组中，lncRNAs(如Jpx和Malat 1)存在A-to-I编辑位点[34]。虽然被编辑的lncRNAs已有报道，但其生物学功能尚不清楚。通过ADAR1对其他非编码RNA的作用机制推测其可能存在的分子机制：首先，被ADAR1编辑的lncRNAs有部分可能留在细胞核内，运输至胞浆的lncRNAs将会切割ADAR1编辑的3′-UTR，从而影响其合成，如CTN-RNA[35]；其次，ADAR1可以编辑lncRNAs的位点，使其功能发生改变；最后，ADAR1可能与其他双链RNA结合蛋白竞争结合lncRNAs。简言之，依赖或不依赖编辑活性，ADAR1对lncRNA的合成及功能都有重要调节作用。

3展望

发现ADAR1介导的A-to-I RNA 编辑已近30年，对其生物学功能的研究已取得较大进展，但仍有许多机制尚不明确。目前还不清楚在哺乳动物体内，ADAR1介导的A-to-I RNA 编辑是否能作为一种机制代替RNAi；ADAR1是否与其他蛋白质相互作用，发挥新的生物学功能。 此外，ADAR1是否能作为其他疾病的标志物，为疾病发生发展提供潜在的诊疗依据及方案也未知。在各种生物体内对RNA编辑位点进行基因组测序发现，在非编码RNAs上存在大量新的A-to-I编辑位点[36-38]，提示ADAR1可能在其中扮演着极其重要的作用。因此，研究ADAR1与非编码RNAs之间存在的新分子机制及生物学意义将是未来研究的新热点。

参考文献

[1]Bass BL.RNA editing by a denosine deaminases that act on RNA[J].Annu Rev Biochem,2002,71(1):817-846.

[2]Weier HU,George CX,Greulich KM,etal.The interferon-inducible,double-stranded RNA-specific adenosine deaminase gene (DSRAD) maps to human chromosome 1q21.1-21.2[J].Genomics,1995,30(2):372-375.

[3]Nie Y,Zhao Q,Su Y,etal.Subcellular distribution of ADAR1 isoforms is synergistically determined by three nuclear discrimination signals and a regulatory motif[J].J Biol Chem,2004,279(13):13249-13255.

[4]Liddicoat BJ,Piskol R,Chalk AM,etal.RNA editing by ADAR1 prevents MDA5 sensing of endogenous dsRNA as nonself[J].Science,2015,349(6252):1115-1120.

[5]Liu Y,Lei M,Samuel CE.Chimeric double-stranded RNA-specific adenosine deaminase ADAR1 proteins reveal functional selectivity of double-stranded RNA-binding domains from ADAR1 and protein kinase PKR[J].Proc Natl Acad Sci USA,2000,97(23):12541-12546.

[6]Nie Y,Ding L,Kao PN,etal.ADAR1 interacts with NF90 through double-stranded RNA and regulates NF90-mediated gene expression independently of RNA editing[J].Mol Cell Biol,2005,25(16):6956-6963.

[7]Agranat L,Raitskin O,Sperling J,etal.The editing enzyme ADAR1 and the mRNA surveillance protein hUpf1 interact in the cell nucleus[J].Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(13):5028-5033.

[8]Ota H,Sakurai M,Gupta R,etal.ADAR1 forms a complex with Dicer to promote microRNA processing and RNA-induced gene silencing[J].Cell,2013,153(3):575-589.

[9]Jayan GC,Casey JL.Inhibition of hepatitis delta virus RNA editing by short inhibitory RNA-mediated knockdown of ADAR1 but not ADAR2 expression[J].J Virol,2002,76(23):12399-12404.

[10] Nie Y,Hammond GL,Yang JH.Double-Stranded RNA Deaminase ADAR1 Increases Host Susceptibility to Virus Infection[J].Journal of Virology,2006,81(2):917-923.

[11] Taylor DR,Puig M,Darnell ME,etal.New antiviral pathway that mediates hepatitis C virus replicon interferon sensitivity through ADAR1[J].J Virol,2005,79(10):6291-6298.

[12] Clerzius G,Gélinas JF,Daher A,etal.ADAR1 interacts with PKR during human immunodeficiency virus infection of lymphocytes and contributes to viral replication[J].J Virol,2009,83(19):10119-10128.

[13] Slotkin W,Nishikura K.Adenosine-to-inosine RNA editing and human disease[J].Genome Med,2013,5(11):105.

[14] Qiao JJ,Chan TH,Qin YR,etal.ADAR1: a promising new biomarker for esophageal squamous cell carcinoma[J].Expert Rev Anticancer Ther,2014,14(8):865-868.

[15] Qin YR,Qiao JJ,Chan TH,etal.Adenosine-to-inosine RNA editing mediated by ADARs in esophageal squamous cell carcinoma[J].Cancer Res,2014,74(3):840-851.

[16] Bass BL.How does RNA editing affect dsRNA-mediated gene silencing[J].Cold Spring Harb Symp Quant Biol,2006,71:285-292.

[17] Aizawa H,Sawada J,Hideyama T,etal.TDP-43 pathology in sporadic ALS occurs in motor neurons lacking the RNA editing enzyme ADAR2[J].Acta Neuropathol,2010,120(1):75-84.

[18] Baltimore D.Our genome unveiled[J].Nature,2001,409(6822):814-816.

[19] Palladino MJ,Keegan LP,O′Connell MA,etal.A-to-I pre-mRNA editing in Drosophila is primarily involved in adult nervous system function and integrity[J].Cell,2000,102(4):437-449.

[20] Lomeli H,Mosbacher J,Melcher T,etal.Control of kinetic properties of AMPA receptor channels by nuclear RNA editing[J].Science,1994,266(5191):1709-1713.

[21] Friedman RC,Farh KK,Burge CB,etal.Most mammalian mRNAs are conserved targets of microRNAs[J].Genome Res,2009,19(1):92-105.

[22] Ji X,Takahashi R,Hiura Y,etal.Plasma miR-208 as a biomarker of myocardial injury[J].Clin Chem,2009,55(11):1944-1949.

[23] Yang W,Chendrimada TP,Wang QE,etal.Modulation of microRNA processing and expression through RNA editing by ADAR deaminases[J].Nature Structural & Molecular Biology,2006(1):13-21.

[24] Kawahara Y,Megraw M,Kreider E,etal.Frequency and fate of microRNA editing in human brain[J].Nucleic Acids Research,2008,36(16):5270-5280.

[25] Alon S,Mor E,Vigneault F,etal.Systematic identification of edited microRNAs in the human brain[J].Genome Res,2012,22(8):1533-1540.

[26] Luciano DJ,Mirsky H,Vendetti NJ,etal.RNA editing of a miRNA precursor[J].RNA,2004,10(8):1174-1177.

[27] Shoshan E,Mobley AK,Braeuer RR,etal.Reduced adenosine-to-inosine miR-455-5p editing promotes melanoma growth and metastasis[J].Nat Cell Biol,2015,17(3):311-321.

[28] Carthew RW,Sontheimer EJ.Origins and Mechanisms of miRNAs and siRNAs[J].Cell,2009,136(4):642-655.

[29] Heale BS,Keegan LP,McGurk L,etal.Editing independent effects of ADARs on the miRNA/siRNA pathways[J].EMBO J,2009,28(20):3145-3156.

[30] Yang W,Wang Q,Howell KL,etal.ADAR1 RNA Deaminase Limits Short Interfering RNA Efficacy in Mammalian Cells[J].Journal of Biological Chemistry,2004,280(5):3946-3953.

[31] Tomaselli S,Bonamassa B,Alisi A,etal.ADAR Enzyme and miRNA Story: A Nucleotide that Can Make the Difference[J].Ijms ,2013,14(11):22796-22816.

[32] Nishikura K.A-to-I editing of coding and non-coding RNAs by ADARs[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2016,17(2):83-96.

[33] Novikova IV,Hennelly SP,Sanbonmatsu KY.Sizing up long non-coding RNAs: do lncRNAs have secondary and tertiary structure[J].Bioarchitecture,2012,2(6):189-199.

[34] Peng Z,Cheng Y,Tan BC,etal.Comprehensive analysis of RNA-Seq data reveals extensive RNA editing in a human transcriptome[J].Nat Biotechnol,2012,30(3):253-260.

[35] Prasanth KV,Prasanth SG,Xuan Z,etal.Regulating gene expression through RNA nuclear retention[J].Cell,2005,123(2):249-263.

[36] Washburn MC,Hundley HA.Trans and cis factors affecting A-to-I RNA editing efficiency of a noncoding editing target in C.elegans[J].RNA,2016.

[37] Bahn JH,Lee JH,Li G,etal.Accurate identification of A-to-I RNA editing in human by transcriptome sequencing[J].Genome Res,2012,22(1):142-150.

[38] Zhu S,Xiang JF,Chen T,etal.Prediction of constitutive A-to-I editing sites from human transcriptomes in the absence of genomic sequences[J].BMC Genomics,2013,14:206.

通信作者:△李小安,E-mail:435445611@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1674-2257.2016.02.031

【中图分类号】Q75

【文献标志码】A

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

·综述·