苄基氮杂双环辛

7月28日，来自中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所李轩研究组、上海巴斯德研究所郝沛研究组以及密歇根州立大学王红兵教授，在国际著名遗传学期刊《PLOS Genetics》发表一项合作研究，题为“The Landscape of A-to-I RNA Editome Is Shaped by Both Positive and Purifying Selection”。这项研究通过对多生物物种RNA编辑事件的系统发现和分析，首次揭示了RNA编辑表观遗传学位点的系统进化规律，以及其在动物神经功能和神经发育中发挥的主要作用。 自从20年前第一次被发现以来，RNA编辑已经成为多种生命形式的遗传编码变异的重要来源。RNA编辑的一个突出机制是，前体mRNA分子中腺苷的去氨基。脱氨基的事件，即A-to-I编辑，将特殊的腺苷（A）转换为肌苷（I）。在翻译中，肌苷被解码为鸟苷（G），从而导致密码子的变化，往往会引起蛋白质产物中的氨基酸替换。除了遗传再编码，A-to-I编辑已知也影响可变剪接，修改microRNA，和改变microRNA靶位点。A-to-I RNA编辑机械的主要组成部分，是作用于RNA（ADAR）家族酶的所谓的腺苷脱氨酶，ADAR酶作用于底物分子内的双链RNA（dsRNA）。关于底物靶向和编辑活性调节的细节，还是较少的；但是，有证据表明A-to-I编辑是共转录的，并且ADAR靶位点倾向于某些非随机的序列模式，并且很大程度上依赖于双链RNA的三级结构。 A-to-I RNA编辑生成的遗传变异，可扩展转录组的多样性和复杂性，它作为一个重要的机制可帮助支持关键的生物学功能。由于ADAR突变而缺乏A-to-I RNA编辑的动物模型，可导致小鼠胚胎或出生后致死，或在果蝇中显示神经缺陷。以前的研究在人类、小鼠、猴和果蝇中记录了许多A-to-I编辑靶基因。报道的编辑靶标情况，包括神经受体、离子转运蛋白和免疫反应受体。虽然多年来，科学家们都知道某些关键基因上A-to-I RNA编辑的例子，但是从进化的角度看，A-to-I编辑如何使转录组和蛋白质组多样化，以及到了何种程度，还是完全没有表征的。我们对于RNA编辑本身在进化中如何受到选择性力量的限制，还知之甚少。关于A-to-I RNA编辑提供的适应潜能，有各种不同的观点。 新一代测序技术和Model Organism ENCyclopedia Of DNA Elements (modENCODE)项目，成为模式生物的一种前所未有的资源，像果蝇和秀丽隐杆线虫，使得我们能够进行多基因组规模分析，以比较进化中的RNA编辑模式。 为了探讨RNA编辑的全景以及表征进化过程中施加在A-to-I编辑上的选择性限制，该研究小组基于modENCODE资源构建了一项研究，涉及这七种果蝇，它们有相应的参考基因组和转录组测序数据可用。该研究还补充了来自其他资源的数据，包括NCBI Sequence Read Archive (SRA)、NCBI Gene Expression Omnibus (GEO)、FlyBase和FlySNPdb数据库。 利用果蝇属作为一个模型系统——其代表了大约4500万年的进化时间，研究人员共确定了9281个A-to-I RNA编辑事件。通过与前人的研究成果，以及来自果蝇组织/发育样本或ADAR突变体的数据进行比较，并进行大规模阵列为基础的验证性实验，研究人员验证了这些事件。 通过系统发育分析，研究人员基于编辑位点的保守性，将A-to-I RNA编辑事件归类为三种不同类型。第一类位点发生在单基因家族基因上 第二类发生在多基因家族基因上，但位点不保守 第三类发生在多基因家族基因上，且位点保守。对这三类位点及其基因进行选择分析发现，第一和第二类位点均受到纯化选择(负选择)影响，而只有第三类位点受到正选择压力。重要的是，发现第三类位点高度富集于神经系统的元件和功能中。通过对这三类编辑位点进行不同组织、不同发育时期以及动物变态发育过程中的分布及变化分析，第一次发现了A-to-I RNA编辑在动物发育、交配(mating)等生理过程中动态变化的证据，进一步支持了三类不同编辑位点的重要功能。这些结果都指向神经系统功能，说明了RNA编辑表观遗传作用的适应性主要通过神经系统功能实现。神经系统功能是检验有益RNA编辑位点主要标准。以上发现，揭示了由RNA编辑表观遗传机制引入的编码可塑性，而产生一类新的二分变异。在二倍体有性生殖系统中，它是维持基因表达杂合性的一个重要机制，对克服等位杂合子分离有不可替代的优势。

这一研究成果公布在Cancer Cell杂志上，由MD安德森癌症中心生物信息学和计算生物学副教授梁晗博士以及Gordon Mills博士领导完成，梁晗博士研究组研究兴趣包括开发生物信息学工具，更好地分析癌症基因组数据，泛癌症基因组分析，RNA编辑和癌细胞的进化过程。 此前，梁晗博士研究组通过调查13种癌症类型，在分子水平上认识了性别对不同癌症的影响，也从一个方面指出了性别特异性治疗的需要。（从癌症基因组中寻找性别差异） 在最xin这项研究中，梁晗等人发现了一种特定类型的RNA编辑方法：A-to-I RNA编辑在癌细胞蛋白质变异过程中扮演了关键角色。 RNA编辑是RNA分子遗传信息发生改变的过程。之前科学家认为这个过程在人类和其他脊椎动物中很罕见，现在的研究表明RNA编辑在人类基因组中广泛存在。 由于癌症可能源自极其不同的蛋白质类型和突变，因此针对每位患者的个体化治疗需要有对蛋白质“基因组”更好的理解，后者也就是蛋白质组学了。了解促成蛋白质变异和多样性的分子机制是当今癌症研究的一个关键问题，在癌症治疗方面具有重要的临床应用。 梁晗博士表示，“利用来自癌症基因组图谱和美国国家癌症研究所临床蛋白质组肿瘤分析联盟的数据，我们的这项研究提出了许多直接证据，证明A-to-I RNA编辑是癌细胞中蛋白质组多样性的来源，因此，RNA编辑是一种理解癌症分子机制，研发精确癌症治疗的一种新模式。” “如果一种蛋白质只在肿瘤蛋白质中被高度编辑，而正常蛋白质不被高度编辑，那么就有可能被设计成为抑制编辑突变蛋白的特殊药物。” 很早之前，科学家们就知道A-to-I RNA编辑能帮助细胞调整RNA分子，从而产生能改变DNA“说明书”的核苷酸序列，这会影响蛋白质如何产生以及它们如何在细胞内组装。 在最xin研究中，研究人员发现了A-to-I RNA编辑如何通过改变氨基酸序列来促进乳腺癌蛋白质出现多样性的分子机制：一种称为衣被蛋白亚单位α（COPA）的蛋白质，在A-to-I RNA编辑后，能在体外增加了癌细胞增殖，迁移和侵袭的风险。

生物技术重大发现的历史时间表。图片来源：韩国基础科学研究所　　科技创新世界潮韩国基础科学研究所（IBS）基因组工程中心研究人员开发了一种新的基因编辑平台，称为类转录激活因子效应相关脱氨酶（TALED）。TALED是能够在线粒体中进行A到G碱基转换的碱基编辑器。这一发现是长达数十年治愈人类遗传疾病之旅的结晶，而TALED，也被认为是基因编辑技术中最后缺失的一块拼图。研究成果发表在最新一期《细胞》杂志上。“基因剪刀”的魔力与缺憾从1968年第一个限制性内切酶的发现、1985年聚合酶链式反应的发明到2013年CRISPR介导的基因组编辑的示范，生物技术的每一个新突破发现都进一步提高了操纵DNA的能力。特别是，新近开发的CRISPR—Cas系统（“基因剪刀”）允许对活细胞进行全面的基因组编辑。这为通过编辑人类基因组中的突变来治疗以前无法治愈的遗传疾病开辟了新的可能性。虽然基因编辑在细胞的核基因组中取得了很大的成功，然而，科学家们在编辑拥有自己基因组的线粒体方面并不成功。线粒体，即所谓的“细胞的动力室”，是细胞中的微小细胞器，充当能量产生工厂。由于它是能量代谢的重要细胞器，如果基因发生突变，则会导致与能量代谢相关的严重遗传疾病。韩国IBS基因组工程中心主任金镇秀解释说：“由于线粒体DNA缺陷，出现了一些非常严重的遗传性疾病。例如，导致双眼突然失明的Leber遗传性视神经病变是由线粒体DNA中的简单单点突变引起的。”另一种线粒体基因相关疾病包括伴有乳酸性酸中毒和卒中样发作的线粒体脑肌病，它会缓慢破坏患者的大脑。一些研究甚至表明，线粒体DNA异常也可能是阿尔茨海默病和肌肉萎缩症等退行性疾病的原因。线粒体DNA可以编辑了线粒体基因组遗传自母系。线粒体DNA中有90个已知的致病点突变，总共影响至少5000人中的1人。由于向线粒体递送方法的限制，许多现有基因组编辑工具无法使用。例如，CRISPR—Cas平台不适用于编辑线粒体中的这些突变，因为引导RNA无法进入细胞器本身。另一个问题是缺乏这些线粒体疾病的动物模型。这是因为目前不可能设计出创建动物模型所需的线粒体突变。”金镇秀补充道，“缺乏动物模型使得开发和测试这些疾病的治疗方法变得非常困难。”因此，编辑线粒体DNA的可靠技术是基因组工程的前沿领域之一，为了征服所有已知的遗传疾病，必须探索这一前沿领域，世界上最优秀的科学家多年来一直在努力使其成为现实。2020年，由美国哈佛大学博德研究所和麻省理工学院刘如谦领导的研究团队创建了一种新的碱基编辑器，名为DddA衍生的胞嘧啶碱基编辑器，可从线粒体中的DNA进行C到T转换。这是通过创造一种称为碱基编辑的新基因编辑技术来实现的，该技术将单个核苷酸碱基转化为另一个碱基而不会破坏DNA。但是，这种技术也有其局限性。它不仅仅限于C到T转换，而且主要限于TC基序，使其成为有效的TC-TT转换器。这意味着它只能纠正90个已确认的致病性线粒体点突变中的9个，也就是10%。长期以来，线粒体DNA的A到G转换被认为是不可能的。研究第一作者赵兴义说：“我们开始思考克服这些限制的方法。因此，我们创建了一个名为TALED的新型基因编辑平台，可实现A到G的转换。我们的新碱基编辑器极大地扩展了线粒体基因组编辑的范围。这不仅可为建立疾病模型作出巨大贡献，还可为开发治疗方法作出巨大贡献。值得注意的是，其在人类mtDNA中能够进行A到G的转化可纠正90种已知致病性突变中的39种，约为43%。”研究人员通过融合三种不同的成分创造了TALED。第一个组分是转录激活子样效应子，它能够靶向DNA序列。第二个组分是TadA8e，一种用于促进A到G转化的腺嘌呤脱氨酶。第三个组分DddAtox，是一种使DNA更容易被TadA8e获取的胞嘧啶脱氨酶。TALED的一个有趣的方面是TadA8e在具有双链DNA的线粒体中执行A到G编辑的能力。这是一种神秘的现象，因为TadA8e是一种已知仅对单链DNA具有特异性的蛋白质。金镇秀说：“以前没有人想过使用TadA8e在线粒体中进行碱基编辑，因为它应该只对单链DNA具有特异性。正是这种跳出框框的思维方法真正帮助我们发明了TALED。”诺贝尔奖级别的成果研究人员推测，DddA tox允许通过瞬时解开双链来访问双链DNA。这个转瞬即逝的临时时间窗口允许TadA8e作为一种超快作用的酶，快速进行必要的编辑。除了调整TALED的组件外，研究人员还开发了一种能够同时进行A到G和C到T碱基编辑以及仅进行A到G碱基编辑的技术。研究团队通过创建包含所需mtDNA编辑的单个细胞衍生克隆来展示这项新技术。他们发现TALED既不具有细胞毒性，也不会导致mtDNA不稳定。此外，核DNA中没有不良的脱靶编辑，mtDNA中的脱靶效应也很少。研究人员现在的目标是通过提高编辑效率和特异性来进一步改善TALED，最终为纠正胚胎、胎儿、新生儿或成年患者中的致病mtDNA突变铺平道路。研究团队还专注于开发适用于叶绿体DNA中A到G碱基编辑的TALED，叶绿体DNA编码植物光合作用中的必需基因。基础科学研究所科学传播者苏威廉称赞道：“我相信这一发现的意义可与2014年获得诺贝尔奖的蓝色LED的发明相媲美。就像蓝色LED是让我们拥有高能效白光LED光源的最后一块拼图一样，预计TALED将迎来基因组工程的新时代。”