后生动物RNA编辑的起源和功能演化

RNA editing is a post-transcriptional modification mechanism that can enhance the diversity of transcriptomes by recoding amino acids or changing mRNA splicing sites in a wide range of species, including viruses, prokaryotes and eukaryotes. In metazoa, the vast majority of RNA editing events comprises the deamination of adenosine (A) to inosine (I), which is shown to be essential for metazoan development and neural function. However, our knowledges of metazoan RNA editing are derived mainly from the studies of several model organisms, such as humans, fruit flies and C. elegans. When RNA editing emerged and how RNA editing evolved during the evolution of metazoa are mostly unkown. Here we propose to sequence the RNA editomes of some representative metazoan species, including a choanoflagellate, a ctenophore, a sponge, a placozoan, a sea anemone, an oyster, a sea urchin, a lancelet and a fish. Together with the published RNA editomes of C. elegans, fruit flies and humans, we have the opportunity to investigate the origin and evolution pattern of metazoan RNA editing, which will greatly expand our understanding of this important post-transcriptional modification mechanism.

RNA编辑是一种广泛存在于病毒、原核生物和真核生物中的转录后调控机制，能够通过改变氨基酸编码、RNA剪接位点等方式来扩展DNA携带的信息。在动物界,最主要的RNA编辑类型是把腺嘌呤(A)编辑成次黄嘌呤(I)，其对后生动物的正常发育以及神经系统的功能都有着至关重要的作用。然而，目前人们对后生动物RNA编辑的认识主要来源于对人、果蝇和线虫等少数几种模式生物的研究，对RNA编辑的起源和演化历史还知之甚少。本项目拟通过对后生动物演化过程中具有代表意义的物种，包括领鞭毛虫、栉水母、海绵、丝盘虫、海葵、牡蛎、海胆、文昌鱼和河豚鱼进行转录组和基因组重测序，绘制其RNA编辑组图谱，并结合已经发表的线虫、果蝇、人等的RNA编辑组数据，对后生动物不同演化阶段的物种的RNA编辑组进行全面的比较分析，揭示后生RNA编辑的起源和功能演化模式，拓宽人们对这一重要转录后调控机制的认识。

RNA编辑能通过在基因的转录产物上增加、删除或替换一些碱基，产生基因组模版无法编码的转录本，从而在一定程度上拓展了物种的遗传信息，被认为对物种的表型可塑性和环境适应性具有重要意义。在后生动物中，最普遍存在的RNA编辑现象是把腺嘌呤（A）脱氨基转变为次黄嘌呤（I），简称A-to-I的编辑。不少研究表明，RNA 编辑对动物神经系统的功能具有重要的调控作用，异常的 RNA 编辑往往与神经性疾病、精神障碍甚至癌症相关联。然而，目前我们对于后生动物RNA编辑的认识大部分来自于对少数模式物种的研究，主要包括人、小鼠、果蝇、线虫和章鱼。关于RNA编辑在后生动物的起源和演化历程还知之甚少。在本项目中，我们利用自主开发的RNA编辑位点检测软件——RES-Scanner，成功绘制了22种在后生动物系统演化过程中具有重要代表意义的物种的RNA编辑图谱。我们证实了由ADAR酶介导的A-to-I RNA 编辑是在现存所有后生动物的共同祖先中起源的，而且在过去6亿年的动物演化史上几乎被所有后生动物保留了下来，且在所有物种中保持着大量共同的特征，唯独扁盘动物丝盘虫在演化过程中独立丢失了这一转录后调控机制。我们发现在大多数物种中都只有少量基因会发生转录后的RNA编辑，而对 repeat序列进行转录后的调控很可能是后生动物RNA 编辑的共同功能。对不同物种中受到RNA编辑影响的基因的功能分析提示了后生动物 RNA 编辑实际上参与了众多基础生物过程的调控，而参与神经系统功能的调节更可能是在两侧对称动物中才衍生出的功能。我们还发现改变氨基酸编码的RNA编辑，更倾向于引起 K->R、 N->S、I->M 和 Y->C 的氨基酸改变，同时回避 D->G 和 E->G的改变。通过比较基因组分析，我们推测大部分改变氨基酸编码的 RNA 编辑很可能是非适应性的，因此在物种演化过程中会更容易被突变成其他碱基。本项目还原了后生动物 RNA 编辑在过去 6 亿年的动物演化过程中所保留和衍生的特征，对于人们更深刻的认识这一古老的转录后调控机制提供了重要的线索。