2020年12月21日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陸劍課題組與特拉維夫大學(xué)的Eli Eisenberg教授合作在《iScience》上發(fā)表了題為“A-to-I RNA editing in honeybees shows signals of adaptation and convergent evolution”的論文。該工作以蜜蜂為研究對象，解析了蜜蜂A-to-I RNA編輯的適應(yīng)性演化，以及蜜蜂和果蠅里RNA編輯的趨同適應(yīng)現(xiàn)象。

由ADAR（adenosine deaminase acting on RNA）蛋白介導(dǎo)的腺嘌呤到次黃嘌呤（A-to-I）的RNA編輯是后生動(dòng)物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄后修飾。由于I會(huì)被識(shí)別為G，因此A-to-I RNA編輯在不改變基因組序列的情況下，時(shí)空特異性地增加了轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的多樣性。陸劍課題組之前的工作已經(jīng)報(bào)道了在果蠅中存在大量改變氨基酸的非同義RNA編輯位點(diǎn)（Nonsyn），這些編輯位點(diǎn)呈現(xiàn)出適應(yīng)性信號(hào)，受到正向自然選擇（Duan et al., 2017, PLoS Genetics），并且這些成簇分布的、具有適應(yīng)性的非同義RNA編輯事件傾向于連鎖在相同mRNA分子上，也就是同時(shí)被編輯（Duan et al., 2018, Molecular Biology and Evolution）。

為了在更大的進(jìn)化尺度上探究A-to-I RNA編輯是否具有適應(yīng)性，該課題組以西方蜜蜂（Apis mellifera）為材料進(jìn)行RNA編輯組的研究。該研究充分利用了雄蜂（drone）是單倍體這一優(yōu)勢，通過對4個(gè)雄蜂個(gè)體的基因組測序和不同組織的轉(zhuǎn)錄組測序，系統(tǒng)地鑒定出了407個(gè)高可信度的A-to-I編輯位點(diǎn)。在407個(gè)高可信度編輯位點(diǎn)中，111個(gè)是改變氨基酸的非同義編輯位點(diǎn)（Nonsyn，改變蛋白質(zhì)序列），而只有9個(gè)是同義編輯位點(diǎn)（Syn，不改變蛋白質(zhì)序列）。編輯位點(diǎn)在頭里面豐度最高，包括了108個(gè)Nonsyn與8個(gè)Syn位點(diǎn)，這與頭中Adar基因表達(dá)量高是相符合的。與Syn位點(diǎn)相比，Nonsyn位點(diǎn)呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的適應(yīng)性演化信號(hào)：（1）Nonsyn在編碼區(qū)中出現(xiàn)的頻率顯著高于中性（隨機(jī)）情況下的預(yù)期值；（2）Nonsyn比Syn位點(diǎn)有更高的編輯水平。該現(xiàn)象與之前在果蠅中觀測到的結(jié)果非常一致（Duan et al., 2017, PLoS Genetics）。

接下來，作者探究了西方蜜蜂和黑腹果蠅的保守編輯位點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)，保守的位點(diǎn)較少，在編碼區(qū)中只有4個(gè)Nonsyn與1個(gè)Syn位點(diǎn)在蜜蜂和果蠅中保守。但是，雖然位置不保守，很多編輯位點(diǎn)卻發(fā)生在相同的基因上。例如，基因Adar上有一個(gè)改變氨基酸的“自身編輯位點(diǎn)”，發(fā)生編輯之后會(huì)對ADAR蛋白的活性產(chǎn)生影響，對整體RNA編輯活性形成反饋調(diào)節(jié)。而在果蠅和蜜蜂兩個(gè)進(jìn)化枝上獨(dú)立演化出了這個(gè)具有調(diào)控作用的自身編輯位點(diǎn)。

作者進(jìn)一步結(jié)合之前報(bào)道的大黃蜂（Bombus terrestris）里的編輯位點(diǎn)（Porath et al., 2019, Nature Communications），統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在黑腹果蠅、西方蜜蜂、大黃蜂三個(gè)物種編碼區(qū)發(fā)生編輯的基因中，同源基因的交集數(shù)量顯著高于隨機(jī)抽取相同數(shù)量基因所得的同源基因數(shù)量，在兩兩物種之間或者三個(gè)物種之間都是一致的比較結(jié)果。因此，可以得出的結(jié)論是，在果蠅和蜜蜂兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的進(jìn)化枝上，同源基因在編碼區(qū)中獨(dú)立演化出了編輯位點(diǎn)。雖然編輯位點(diǎn)的位置不保守，但在各自的進(jìn)化枝上都展現(xiàn)出適應(yīng)性信號(hào)。這種趨同演化現(xiàn)象進(jìn)一步支持了RNA編輯的適應(yīng)性假說。

分子生物學(xué)家Francois Jacob于1977年提出了演化的“修補(bǔ)理論”(Evolution and Tinkering), 認(rèn)為演化是不完美的，是一個(gè)不斷修補(bǔ)的過程；演化修補(bǔ)更有可能是通過改變基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)；自然選擇是驅(qū)動(dòng)演化修補(bǔ)的重要力量。本項(xiàng)研究工作提示，RNA編輯可能是驅(qū)動(dòng)物種演化修補(bǔ)過程的一種重要分子機(jī)制。

陸劍研究員和特拉維夫大學(xué)的Eli Eisenberg教授為該論文的共同通訊作者。生命科學(xué)聯(lián)合中心（CLS）博士畢業(yè)生段元格是論文的第一作者。陸劍課題組已畢業(yè)博士生竇圣乾、以色列巴伊蘭大學(xué)Hagit Porath博士、以及中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃家興研究員也為該工作做出重要貢獻(xiàn)。該項(xiàng)研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委（NSFC）和以色列科學(xué)基金會(huì)（ISF）的支持。

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

參考文獻(xiàn)鏈接：

[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

來源：北京大學(xué)