受体ＲNA编辑的研究进展范文

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《生理科学进展杂志》2015年第六期

摘要

RNA编辑是指转录后RNA分子的编辑过程，包含核苷酸的插入、删除和替换。RNA依赖腺嘌呤脱氨酶(RNAdependentadenosinedeaminases，ADARs)是一类可以将5-羟色胺2C受体基因(HTR2C)的前体mRna特定位点上的腺苷酸(adenosine，A)脱氨基转化为肌苷酸(inosine，I)的酶。A-to-IRNA编辑最终引起氨基酸的改变。本篇综述主要阐述ADAR家族对HTR2C的RNA编辑作用的相关研究进展，为防治HTR2C的RNA编辑异常引起的相关疾病提供理论依据。

关键词

ADAR家族;RNA编辑;5-羟色胺2C受体

一、5-羟色胺2C受体RNA编辑

RNA编辑是生物体在转录后水平对RNA进行修饰的过程，包括核苷酸的删除、插入和替换［1］。1986年，荷兰Benne首次报道真核基因转录后RNA编辑的过程，他们发现原生动物锥虫线粒体的细胞色素C氧化酶的第2个亚基在转录后插入了4个非编码的尿嘧啶(U)，并将这种现象定义为RNA编辑。RNA编辑在哺乳动物中主要发生于三种受体:谷氨酸受体B亚单位、载脂蛋白B受体和5-羟色胺2C受体(HTR2C)。本文主要综述关于HTR2C的RNA编辑的相关研究。HTR2C的RNA编辑发生在细胞内环第二结构域的5个氨基酸残基(A、B、C、D和E位点)，在RNA依赖腺嘌呤脱氨酶(adenosinedeaminasesactingonRNA，ADARs)的作用下发生腺苷酸(A)到肌苷酸(I)的替换，即A-to-IRNA编辑。由于I和鸟苷酸(guanosine，G)结构类似，所以在翻译中被解读作G，从而使mRNA进行重编码，引起氨基酸的改变，进而改变翻译的蛋白质的一级结构和功能［2］。

二、ADAR家族

哺乳动物的ADAR家族成员包括ADAR1(geneID:ADAR)、ADAR2(geneID:ADARB1)、ADAR3(geneID:ADARB2)和ADATs(adenosinedeamina-sesactingontransferRNA)。ADAR1和ADAR2广泛存在于各种组织，在脑和脾中具有较高的编辑活性;ADAR3只在脑中表达［3］，体外研究发现ADAR3单独作用时，不能对已知ADAR家族作用的底物(谷氨酸受体和HTR2C)进行编辑［4］;ADATs是作用于转运RNA(tRNA)的腺苷脱氨酶，根据氨基酸序列和作用底物的不同分为ADAT1、ADAT2和ADAT3。ADAR家族成员大多作用于非编码区，如Alu重复序列区，这些区域可以形成RNA局部双链结构供ADAR家族识别［5］。Alu重复序列同时可以作为编辑诱导物发挥功能，这些序列通常位于距离特定编辑位点几百个核苷酸的位置，增强ADARs的编辑效率。ADARs底物的编辑频率与双螺旋的长度和双链程度呈正相关，单个腺苷酸的选择性编辑通常发生在短链RNA，并受内外环结构的影响。在哺乳动物中，大多数A-to-I编辑的转录本参与对神经递质的调控，ADARs作用的A-to-I编辑可以引起配体和电压门控通道以及G蛋白偶联受体的功能发生改变［5］。ADAR家族具有重要的生物学功能，ADAR1基因敲除小鼠存在胚胎期致死高危因素;ADAR2基因敲除小鼠极易出现癫痫或未成年死亡。由此可见ADARs功能的稳定对于维系生命与保持正常的生理功能非常重要［6］。

三、ADARs对HTR2C的RNA编辑作用

ADARs在C端包含一个脱氨基结构域(deami-nasemotif，DM)，在N端包含2-3个双链RNA结合域(double-strandedRNAbindingdomain，dsRBD)。ADARs与双链RNA结合后，在ADARsC端起催化作用的DM发生脱氨基作用，结合位点的特异性RNA编辑位点的序列决定，从而易被dsRNA结合域和DM识别［7］。ADARs的选择性剪接、自我编辑、蛋白质修饰、异源二聚体化和泛素化等可影响编辑活性［8］(图1)。

(一)ADAR1、ADAR2和ADAR3ADAR1的两种单体，p150和p110，是在不同的启动子部位发生转录形成。这两种单体具有相似的结构，但p150在N端具有带有核转运信号(NES)的Zɑ和β-DNA结合域，p110在N端只有一个Zβ-DNA结合域，且不带有NES(图2)。反式作用调节因子决定ADAR1和ADAR2的亚细胞定位，其中p110主要位于细胞核，p150主要位于细胞质，ADAR1特有的Z-DNA结合域可以识别左旋DNA分子，是调节转录本活性的典型结构。ADAR2位于细胞核，其向核内的转入由输入蛋白ɑ4和ɑ5介导。ADAR2的DM中含有锌离子，可以与水分子反应，发生脱氨基作用;ADAR3含有独特的精氨酸/赖氨酸富集区域(R结构域)可以与单链RNA底物结合［6］;ADAR1-3均含有引导蛋白质进入细胞核的核定位信号(nuclearlocaliza-tionsignal，NLS)。在众多的7次跨膜受体家族中，只有HTR2C可在ADARs的作用下进行RNA编辑［9］。HTR2C的前体mRNA有A、B、C、D和E5个编辑位点，具有极强的编辑可塑性。体外研究发现，ADAR1主要编辑A和B位点;ADAR2几乎只编辑D位点;ADAR1和ADAR2可共同参与C和E位点的编辑。ADAR1的可变剪接作用发生在RNA的成熟过程，可以产生3种异构体(ADAR1a、b和c)，脑组织中主要表达a和b异构体。ADAR1a是由26个氨基酸组成，在外显子7位点发生缺失;ADAR1b是由ADAR1a的59位点剪接变异生成，在HTR2C的RNA编辑中的A和C位点编辑效率较高。ADAR2可以在酶的催化区域发生剪接变异，进而降低编辑效率。ADAR1和ADAR2剪接变异产生的异构体表达相对量的改变可以影响HTR2C的编辑效率［2］。ADAR1和A-DAR2可以组成一个稳定的同型二聚体复合物，两个单体的相互作用在位点选择性的编辑过程中起到非常重要的作用。ADAR3不具有编辑作用，但可作为抑制剂干扰ADAR1和ADAR2的活性［6］。ADARs在C端包含一个保守的起催化作用的脱氨基结构域(deaminasemotif，DM)，在N端有2～3个双链RNA结合域(double-strandedRNABindingDomain，dsRBD)，还含有核定位信号(nuclearlocali-zationsignal，NLS)。ADAR1的p150单体在N端包含带有NES的Zɑ-和Zβ-DNA结合域，p110单体在N端只包含Zβ-DNA结合域。ADAR3含有一个R结构域。

(二)ADATsADATs只含有DM，可以与tRNA中位于34和37位点的腺苷酸(A34，A37)发生反应。ADAT1在酵母丙氨酸转移核糖核酸(yeastala-ninetransferRNA，tRNAala)的A37位点脱氨基，并在S-腺苷甲硫氨酸和另一种酶的作用下发生甲基化;ADAT2和ADAT3可组成异二聚体，在其他类型tRNA的A34位点参与脱氨基反应［10］。

(三)辅助因子已有报道ADARs与某些辅助因子协同发挥作用。二重编辑筛选技术分离并确认DSS1/SHFM1，RNA结合蛋白核内不均一核糖核蛋白(heterogeneousnuclearribonucleoprotein，hnRNP)A2/B1和3＇端非翻译区(untranslatedregions，UTR)可作为编辑增强子发挥作用［7］。

四、ADARsRNA编辑作用的调节

ADARs大多与RNA双链结构结合，这种茎环结构(stem-loopstructure)主要位于编辑位点附近，所以RNA远端的序列和结构也可以影响ADARs编辑的位点选择性。在顺式调节中，侧翼序列可以影响编辑位点的选择性，且5＇端和3＇端的侧翼序列作用更为突出［11］。通过分析ADAR1与ADAR2编辑位点相邻碱基的特性发现，ADAR1在HTR2C的RNA的5＇端主要编辑U和A聚集的位点(编辑发生率:U≈A＞G＞C)，在3＇端无此特性。ADAR2在5＇端的编辑特性与ADAR1相同，在3＇端主要编辑U和G聚集的位点(编辑发生率:U=G＞C=A)，上述编辑特点形成了第二个碱基为A的特异性三联序列(UAG;UAU;AAG;AAU)［1］，即被编辑的A周围富集U和G。在反式调节中，正常ADARs在RNA和蛋白质水平的作用并不是导致RNA编辑发生变化的全部因素，这提示存在其他蛋白质参与ADARs活性的调节导致RNA编辑发生改变［11］，这些调节因子在下文中将会提及。

(一)基因水平干扰素(interferons，IFNs)在临床上被广泛用于治疗病毒性肝炎、肿瘤和多发性硬化等疾病，尽管IFNs主要作用于免疫系统发挥治疗作用，但是ɑ亚型IFNs也可引起抑郁，甚至导致患者自杀。这可能与IFNs通过血脑屏障薄弱部位进入中枢神经系统，进而直接作用于神经元，引起编码ADARs的基因发生改变有关［2］。在人类胶质母细胞瘤细胞系中可筛选出表达HTR2CmRNA的HTB14和HTB17两种细胞系，进一步研究发现IFN-ɑ可引起HTR2C的RNA编辑作用发生改变。干扰素干预后，ADAR1编辑的A、B和C三个位点的编辑水平增高，ADAR2编辑的D位点编辑水平轻度降低，E位点始终维持在低编辑水平。这些研究提示HTR2C的RNA编辑水平在IFNs的作用下，可发生动态变化［2］。脆性X蛋白(FMRP)可与果蝇A-DARs在基因水平发生相互作用，从而调节RNA编辑水平［11］。

(二)转录及转录后水平转录后水平ADAR1的表达受微小RNA(microRNA，miRNA)调节，miR-NA与其他因素一起在RNA干扰(RNAinterference，RNAi)路径中通过阻碍翻译和促进降解，负性调节基因表达，其中起主要作用的是miR-17和miR-432。ADAR2可以通过对其转录本的自我编辑从而调节酶的活性，某些特定的组织通过对ADAR2的前体mRNA进行组织特异性选择性剪接从而下调ADAR2蛋白水平［6］。环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMPresponsiveelement-bindingprotein，CREB)作为转录增强子可诱导大鼠脑内海马CA1区神经元的ADAD2的表达［12］。

(三)翻译后水平ADAR1可以通过SUMO化修饰进行翻译后编辑，这一调节是通过与小泛素修饰因子(SUMO)在靶蛋白上共价结合从而进行可逆的翻译后修饰过程，包括细胞凋亡、细胞周期调节、蛋白质稳定等一系列过程。人类ADAR1在多肽链418位赖氨酸残基(Lys418)处发生SUMO化修饰，从而使其活性降低［6］。蛋白质肽基脯氨酸顺反异构酶(phosphorylation-dependentprolylisomerase，Pin1)和E3泛素连接酶WWP2可以协同调节A-DAR2的翻译后水平，其中Pin1磷酸化与ADAR2结合，正性调节其活性，WWP2通过蛋白质的相互作用使ADAR2泛素化随后发生降解［11，13］。

(四)其他调节5羟色胺(5-HT)神经递质的持续改变能够影响HTR2C的A-to-IRNA编辑［6］。腺病毒可以编码2种非编码的病毒相关性(virus-as-sociated，VA)RNA，VAⅠ和VAⅡ，其中VAⅠRNA可以拮抗ADARs的脱氨基活性。持续激活磷脂酶C(phospholipaseC，PLC)可增强ADARs的RNA编辑效率。HTR2C被激活后，在PLC作用下，磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol4，5-bisphosphate，PIP2)合成三磷酸肌醇(inositol1，4，5-triphosphate，IP3)，IP3进一步磷酸化形成六磷酸肌醇(inositolhexaphosphate，IP6)，IP6包埋于ADAR2的核心部位，导致蛋白质折叠，使其具有编辑活性［14］。对A-DARs进行测序研究发现，在人类ADAR2晶体结构中与IP6起协同作用的氨基酸残基也存在于ADAT1中，但不存在于ADAT2和ADAT3中［10］。在酵母中进行异源性编辑分析筛选出编辑调节因子RPS14、SFRS9和DDX15，但其对ADAR2的详细调节机制仍需进一步研究，可能与核糖核蛋白(RNPs)影响RNA编辑有关［6］。

五、ADARs对A-to-IRNA编辑调节异常的相关疾病

(一)精神障碍疾病HTR2C的RNA编辑与抑郁、自杀、精神分裂和双相情感障碍等疾病的发生密切相关［15］。Iwamoto等在尸检结果中发现自杀患者大脑皮层HTR2C的A位点RNA编辑作用明显增强，抑郁患者D位点的RNA编辑作用也明显增强［16，17］。提示HTR2C的A-to-IRNA编辑作用异常参与精神障碍疾病的发病机制。

(二)神经系统疾病RNA编辑的异常调节可以导致许多神经系统疾病，包括肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)、前脑缺血和Prader-Willi综合症(PWS)等［6］。

(三)肿瘤ADARs在哺乳动物正常发育过程中具有不可取代的地位，已经发现RNA编辑失调与肿瘤有着密切的关系。已有研究报道成人和儿童胶质母细胞瘤患者在ADAR2特异性靶位GluR-B的Q/R位点均处于编辑状态。ADAR1和ADAR3的mRNA在脑肿瘤中表达增加，并且ADAR1的过表达可以抑制ADAR2特异位点的编辑频率。在其他肿瘤中，ADARs的差异性表达与其各自位点编辑失衡也具有关联性。肝癌细胞的ADAR1mRNA与蛋白质表达增强而ADAR2表达减弱［18］。目前还未见有关肿瘤与HTR2C的A-to-IRNA编辑相关的报道，HTR2C的A-to-IRNA编辑是否与某种特定类型的肿瘤相关，尚不清楚。

六、展望

A-to-IRNA编辑水平对于维持人类正常的生理功能具有重要的意义，A-to-IRNA编辑失衡与精神障碍疾病密切相关。调节A-to-IRNA编辑的A-DARs可能是精神障碍疾病在表观遗传水平上的发病机制中的重要环节。从分子水平的相关深入研究将会有助于防治由于A-to-IRNA编辑失衡引起的相关疾病。

作者：曾雯 于德钦 殷盛明 单位：大连医科大学七年制研究生 大连医科大学生理学教研室