RNA编辑及其在肿瘤中的调控

王海涛 闵建平 苏海翔

甘肃省医学科学研究院/甘肃省肿瘤医院，甘肃 兰州730050

RNA编辑（RNA editing）是指在转录后水平上发生的核苷酸插入、缺失或替代，导致核苷酸序列发生改变，使其翻译的蛋白质氨基酸序列、结构、功能或表达水平等不同于原基因序列所携带遗传信息的生物学现象。1986年，Benne等描述锥虫线粒体细胞色素C氧化酶亚基Ⅱ（cytochrome C oxidase subunitⅡ，coxⅡ）转录后修饰时首次提出这一概念，coxⅡ基因包含一个移码突变，后者经RNA编辑插入一个尿苷酸得以修复［1］。RNA编辑增大了转录多样性，进而增加了蛋白质的种类，使生物体能够更好地适应环境，其不仅扩充了遗传信息，也进一步补充和扩展了中心法则，使人们对基因表达调控有了更进一步的认识［2］。RNA编辑广泛存在于物种中，是机体维持正常代谢活动和稳态的重要基础。

1 RNA编辑的类型

迄今为止，已经发现了多种不同类型的RNA编辑现象，包括C-to-U、U-to-C、A-to-Ⅰ等。

1.1 C-to-U编辑 哺乳动物中首次发现RNA编辑现象是在小肠上皮细胞中，该细胞合成一种载脂蛋白ApoB-48，能够结合并运输血脂到机体各组织进行代谢及利用。人类肝脏细胞也表达同一基因ApoB，但合成更大的蛋白ApoB-100，广泛存在于另一种脂质载体LDL颗粒中。ApoB-48和ApoB-100 N末端的序列是一致的，但前者长度只有后者的48%。ApoB-100基因第6666位核苷酸是谷氨酰胺密码子CAA中的C，而在ApoB-48中相应的核苷酸是U，从而形成了一个终止密码子UAA，导致了开放读码框的中断。C-to-U编辑由载脂蛋白B编辑酶催化多肽（apolipoprotein B mRNA editing enzyme，catalytic polypeptide，APOBEC）催化完成［3］。

1.2 U-to-C编辑 研究发现，在肾母细胞瘤基因（wilms tumor 1，WT1）mRNA的一个位置有两种不同的核苷酸形式，与基因序列比对发现该mRNA发生了Uto-C的转变，这说明存在一种在嘧啶上酶促结合一个氨基的编辑形式［4］。

1.3 A-to-Ⅰ编辑 高等真核生物中最常见的一种RNA编辑类型是A-to-Ⅰ编辑，在这种类型的编辑中，腺苷（A）被脱氨基形成次黄苷（Ⅰ），后者在mRNA中极少出现。次黄苷跟鸟苷一样，优先同胞苷配对，以同样的方式与核糖体互相作用。因此，在反转录和翻译中，发生A-to-Ⅰ改变就如同将A替换为G［5］。

谷氨酸受体是由GluR-A、-B、-C和-D基因编码的不同亚基形成的异聚体，包含GluR-B亚基的受体对Ca2+是不可渗透的。序列分析表明，不同受体亚基之间Ca2+通透性的差异是由于跨膜结构域中一个氨基酸的不同造成的—在GluR-B中是精氨酸，而其他亚基中相应位置却是谷氨酰胺。在蛋白和mRNA水平上这一差异是显而易见的，但在编码各亚基的基因上相应位置却完全一致［6］。GluR-B mRNA的编辑将一个谷氨酰胺密码子（CAG）改变为CIG，后者在翻译过程中被识别为精氨酸密码子（CGG），这一编辑位点被称为Q/R位点［7］。据推测，GluR-B前体mRNA序列在Q/R位点与下游内含子序列间配对形成了一个颈环结构。通常认为，双链RNA是编辑发生的必要条件，而依赖双链RNA的腺苷脱氨酶（adenosine deaminase acting on RNA，ADAR）就是催化编辑发生的酶［8］。

2 RNA编辑酶

2.1 ADAR家族ADAR在哺乳动物多种组织中广泛表达，而在中枢神经系统中表达量最高，ADAR家族包括三个成员：ADAR1、ADAR2和ADAR3，这三者在蛋白结构和生物功能方面有一定的相似性，也有较大的差异。

2.1.1 ADAR1。ADAR1是首个被发现并克隆的双链RNA腺苷脱氨酶［9］。这种酶在脊椎动物中高度保守，其包含3个双链RNA结合结构域（double strands RNA bindingdomains，dsRBD）和一个C端催化脱氨结构域［10］。ADAR1是由ADAR基因编码的，在哺乳动物绝大多数组织中都有表达，一般有两种亚型—ADAR1 p150和ADAR1 p110，前者是从一个干扰素（interferon，IFN）-诱导型启动子开始表达的，在核内和胞质都有表达；而后者主要在核内基础性表达［11］。ADAR1是生命活动所必需的，ADAR1基因敲除小鼠在胚胎期死于异常的细胞凋亡和造血功能缺陷［12-13］。ADAR1也是一种干扰素信号抑制剂，可以保护机体免遭疾病相关的干扰素激活［14］。研究表明，ADAR1发生错义突变在易感儿童中会引起一种致命的自身炎症性疾病—Aicardi-Goutières综合征，这是一种罕见的以神经系统及皮肤受累为主的遗传性疾病，主要临床特征包括颅内多发钙化灶、脑白质病变、脑脊液慢性淋巴细胞增多症和冻疮样皮损［15］。

2.1.2 ADAR2。由ADARB1基因编码的ADAR2在大脑中高表达，心脏、肺、肝和肾中也有少量表达。如同ADAR1一样，ADAR2的两个N端dsRBD和一个近C端脱氨基结构域也是高度保守的。ADAR2主要存在于核仁中，但在未成熟的神经元中则集中于胞质中，表明随着发育调控，酶的分布有所变化。与ADAR1相比，在编辑底物的选择上，二者既有相似性，也存在差异。ADAR2与多种肿瘤、炎症、红斑狼疮、肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默症等疾病相关［16-17］。

2.1.3 ADAR3。ADAR3同ADAR1、ADAR2在序列和结构上有很大的相似性，包括核酸定位、脱氨酶、dsRBD等结构域［18］。迄今为止，还没有研究显示ADAR3具有可以影响生理功能的脱氨酶活性。最近一项研究表明，ADAR3可能作为其他ADAR蛋白的显性失活形式发挥作用。相比正常脑组织，ADAR3在多形性成胶质细胞瘤中是高表达的，其通过RNA结合结构域与ADAR2竞争同GluR-B的结合［19］。鉴于ADAR3主要在大脑中表达，推测其可能通过调节ADAR2/ADAR1介导的RNA编辑来调控脑部肿瘤的发生［20］。

2.2 APOBEC家族 在人类基因组中，有11个基因属于APOBEC家族，包括APOBEC-1、-2、-3A、-3B、-3C、-3D、-3E、-3F、-3G、-3H、-4等［21］。APOBEC蛋白是胞苷脱氨酶，在脊椎动物中高度保守。研究发现这些蛋白能够催化高频突变，驱动肿瘤发生并产生治疗抗性［22］。

3 RNA编辑在肿瘤中的调控

RNA编辑受到高度精准的调控，RNA编辑酶定位与表达的相关调控机制已经得到广泛研究［23-24］。根据组织来源和疾病状态，不同癌症与总RNA编辑水平的增加或减少相关。在一些具有清晰的总编辑水平（过编辑vs低编辑）或RNA编辑酶表达水平明显改变的疾病中，许多靶基因以相反的方式被编辑［25-26］。

同样的编辑事件可以导致完全不同的功能或表型，例如在肿瘤发生过程中ADAR1介导的胶质瘤相关致癌基因1（glioma-associated oncogene 1，GLI1）的编辑和ADAR2介导的衣被蛋白复合体亚基α（coatomer protein complex subunit alpha，COPA）的编辑［27-28］。APOBEC1编辑生成的apoB48和其对应的全长蛋白apoB100促进了动脉粥样硬化和肥胖症的发展，其程度与周围的环境调控有关［29-30］。在两种不同的动物模型中，同一靶基因上完全相同的编辑事件（如5-HT2CR的编辑）也可能会导致相反的表型（肥胖vs.瘦）［31-32］。

RNA编辑的几个调控机制最近已得到鉴定，在诸如三阴性乳腺癌、化生性乳腺癌等恶性乳腺癌中，ADAR1的存在对肿瘤形成非常重要。研究发现，在这些癌症中，ADAR1的表达和活性受到肿瘤促进蛋白CPSF6（cleavage and polyadenylation factor-6）和突变的核糖体蛋白RPL39（ribosomal protein L39，A14V）的调控。CPSF6和ADAR1相互作用，稳定其定位并增强其RNA编辑能力［33］。另外，CPSF6介导的ADAR1的活化可被催乳素抑制，后者是一种乳腺分化因子。致癌突变体RPL39（A14V）通过与诱生型一氧化氮合酶iNOS和激活的信号转导与转录活化因子STAT3作用诱导ADAR1的表达，从而促进了肿瘤的生长和药物抗性［34］。

ADAR2在大脑中的功能得到广泛研究，据报道一种剪接因子SRSF9（serine and arginine rich splicing factor 9）对ADAR2介导的RNA编辑有抑制作用。SRSF9同ADAR2及其编辑底物相互作用，干扰了ADAR2二聚体的形成，这对控制细胞生存相关基因的编辑至关重要，证实了剪接在RNA编辑调控机制中的重要性［35-36］。在结直肠癌中，PKCζ（protein kinase C zeta）对ADAR2进行磷酸化，激活了其RNA编辑活性，磷酸化的ADAR2可能通过对COPA和其他底物的编辑促进miR-200的累积，抑制了结直肠癌的肝转移［37］。

鉴于ADAR1和ADAR2介导的RNA编辑之间的复杂关系，可能存在同时调控二者RNA编辑的机制，最新的一个例子是RNA解旋酶DHX9（DEAH box helicase 9），通过利用一种食管癌细胞系（EC109）中的过表达系统，发现DHX9促进ADAR1介导的RNA编辑而抑制ADAR2介导的RNA编辑［38］，这一结果是DHX9表达与肿瘤发生具有紧密联系的一个力证。高通量筛选技术被用于鉴定ADAR介导的RNA编辑的内源性调节因子［39］，目前，研究人员正不断尝试鉴定关于RNA编辑的其他内源或外源的强化因子和抑制因子。

APOBEC1介导的C-to-U RNA编辑是在多个蛋白质组成的编辑体中完成的［40］。迄今为止，这一编辑体中与其功能有关的许多组分已经得到鉴定，包括ACF（APOBEC1 complementation factor）、HNRNPAB（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A/B），DNAJB11（DnaJ heat shock protein family member B11）、KSRP（KH-type splicing regulatory protein）、CELF2（CUGBP Elav-like family member 2）、SYNCRIP（synaptotagmin binding cytoplasmic RNA interacting protein）和RBM47（RNA binding motif protein 47）［41-47］。BAG4（Bcl2-associated Athanogene-4）是这一编辑体中一个罕见的负调控因子，研究发现这一调控因子通过将APOBEC1协助转运到细胞质中，从而抑制了APOBEC1介导的RNA编辑［48］。除ACF和RBM47外，其他调控因子的生理学意义仍需要进一步的验证［49］。

为证实APOBEC1调控癌症发展的过程中这些“搭档”的角色，一个利用睾丸生殖细胞肿瘤（testicular germ cell tumor，TGCT）小鼠模型完成的实验有力地揭示了这一联系。利用自然发生TCGT的129/Sv同系交配小鼠，发现Apobec1缺陷会影响TGCT的易感性。更有意思的是，Apobec1缺陷在TGCT易感性中的作用受到种系的影响（母系vs.父系），而且以隔代遗传的方式显现，表明APOBEC1可能通过RNA编辑调控可遗传的表观改变，影响了诸如睾丸癌等疾病的发展［50］。

一种代谢调控因子PPARα（peroxisome proliferatoractivated receptor alpha）在体内影响了APOBEC1介导的RNA编辑。在缺乏低密度脂蛋白（LDL）受体的小鼠中，PPARα激活剂ciprofibrate（一种常见的降胆固醇药物）通过减少Acf的表达降低了apoB在肝脏中的RNA编辑，结果导致apoB100相关的超低密度脂蛋白（very low density lipoprotein，VLDL）的不断累积和动脉粥样硬化［51］，进一步证实RNA编辑能够通过影响对治疗的应答从而影响人类疾病。

由于RNA编辑在癌症发展中起着显著的作用，肿瘤发生相关通路和因子可能是这一机制重要的调控因素。例如，肿瘤抑制蛋白TP53参与肿瘤发生过程中的各个方面，但TP53与RNA编辑之间几乎无关系［52］。目前，构建了仅删除TP53的活细胞模型，以研究先天性免疫应答中ADAR1介导的RNA编辑［53］。TP53状态影响ADAR1相关表型，这一事实表明其在RNA编辑中具有重要的作用。最近一项研究确证IFI16（interferon gamma inducible protein 16）是ADAR1和TP53共同的“互动合作伙伴”，进一步证实了这一推测［54］。

对于另一个TP53相关蛋白ARF（alternative reading frame，或CDKN2A/p14），有证据暗示其在RNA编辑中发挥的角色。已知ARF通过抑制MDM2（mouse double minute 2）从而激活TP53，但迄今已经鉴定了ARF的许多不依赖TP53的功能［55］，其中之一便是最近在三阴性乳腺癌中证实的—ARF同TP53协作抑制了涉及干扰素β和STAT1的肿瘤促进炎症通路，而后两者均为ADAR介导的RNA编辑重要的因子［53，56-58］。ARF和ADAR都将细胞核作为一个关键的中心，结合这一事实，ARF似乎处于非常接近RNA编辑世界的中心位置［59-60］。

随着对RNA编辑在癌症和代谢性疾病中作用的理解不断深入，RNA编辑和许多人类疾病相关因子之间的联系会不断被发现。不同肿瘤中编辑位点的分析有望为癌症的诊断和预后提供新的标记，有助于肿瘤的早期检测，也有助于治疗反应的监控及微小残留病灶的发现。