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Nat Comm | 章鱼、鱿鱼和乌贼为什么进行巨量的非同义RNA编辑?
2020-01-01

责编 | 酶美

头足纲(Cephalopoda)蛸亚纲(Coleoidea)的动物,包括章鱼、鱿鱼和乌贼,凭借着多种独特的构造和能力,不仅从石炭纪繁荣至今,也多多少少地影响着人类的文化。这类动物最令人着迷的一点,可能就是在无脊椎动物中独领风骚的智力以及复杂的行为了。

2017年的一项研究【1】,试图把这一特征和RNA编辑(RNA editing)联系起来。RNA编辑是一百多种不同的转录后修饰的统称。其中在动物中最常见的为A-to-I编辑。这一编辑将RNA分子中的腺苷(adenosine, A)在酶的作用下转变为肌苷(inosine, I);肌酐在蛋白合成中会被核糖体识别为鸟苷(guanosine, G),因此A-to-I编辑相当于A-to-G编辑,也经常被简称为A-to-G编辑。有些A-to-G编辑会改变蛋白质序列(称为非同义编辑),从而影响蛋白质功能和生物的适应度。

2017年的这项研究分析了4种蛸亚纲动物的神经组织转录组,发现每个物种的mRNA编码区中存在3~5万个A-to-G编辑位点,其中一半以上为非同义编辑。与头足纲的其他类群以及非头足纲动物相比,蛸亚纲动物中的A-to-G编辑位点数量要多得多。比如,人类只有约2000个A-to-G编辑位点。这些发现,加上蛸亚纲动物中的A-to-G编辑的神经系统特异性,似乎暗示A-to-G编辑与蛸亚纲动物的智力以及行为有着某种联系。这样的联想看来颇为诱人。然而,一类生物可以有很多独有的特征,这些特征可能是互为因果,也可能只是刚好出现在了同一类生物中。

密歇根大学生态与演化生物学系博士研究生江道涵与导师张建之教授于近日在Nature Communications杂志上提出一个新的RNA编辑的进化模型:The preponderance of nonsynonymous A-to-I RNA editing in coleoids is nonadaptive 【2】他们的研究认为蛸亚纲的大量非同义RNA编辑并无适应价值。

 


生物演化往是在已有的系统上修修补补, 而修补常常是取演化过程中最易或最先发生的方式,而非最优的方式。这使得某些失去了功能甚至成为了累赘的性状无法轻易消失。江道涵和张建之认为RNA编辑就可能是这样的一个例子。为什么A-to-G编辑即使没有功能也可以在演化中被保留下来呢?因为A-to-G编辑可以在RNA水平上把A转换成G,所以,当RNA编辑存在时,一些本是有害的由G到 A的突变就有可能在RNA及蛋白质水平上被“修复”,从而变得大致无害,因而有机会在种群中固定。

随着这样的突变在这个物种的基因组中不断积累, RNA编辑变得必需。因为如果去除RNA编辑,这些突变就会集体“显形”, 从而让这些生物无法生存。这时,哪怕RNA编辑除了编辑这些突变位点外没有其他功能,自然选择也会把它保留下来。这种进退维谷的状况对于这些生物个体显然不是最优的——因为一般情况下一个位点只会在部分RNA分子中被编辑,造成修复不全;另外,“脱靶”的编辑也可能会影响本不需要编辑的蛋白质。

江道涵和张建之重新分析了4个蛸亚纲物种中的A-to-G编辑数据以检验他们的上述模型。通过比对4种蛸亚纲动物以及作为外群的鹦鹉螺和海兔的基因序列,他们重建了每个A-to-G编辑位点的演化历史,进而找出经历过由G到A替换又被编辑的非同义位点, 称其为修复性编辑位点。与同义编辑位点相比,这些修复性编辑位点出现的概率更高,编辑水平也更高,符合他们的模型预测。修复性编辑的这些特征,在其他的非同义编辑中并未发现。非修复性的非同义编辑位点出现的概率和编辑水平都不比同义编辑高。这些结果以及更进一步的分析显示,即使在蛸亚纲动物中,非同义编辑整体上也是非适应性的,于此前在哺乳动物中的发现一致。

如果非同义编辑并没有带来什么直接的益处,甚至还可能有害,而只是因为“修复”一些后来发生的突变而得以保留,那它一开始为什么会出现呢?遗憾的是,这一问题目前尚无确切答案。对生物体自身的蛋白质序列进行修改,很可能从一开始就不是RNA编辑的主要功能。RNA编辑可能是因为其他原因(比如编辑外源有害RNA)而演化出来,而更改生物体自身蛋白质序列只是一个副产品。因为即使最初使得RNA编辑演化出来的选择压力已经消失,RNA编辑的“修复”作用也会使它在演化中被保留下来,这意味着RNA编辑最初出现的原因可能已无从知晓。

一类生物可以有很多独特之处,但这些特征之间未必有因果关系。当我们发现一类生物有某个独特的形态或行为特征,同时也有着某个独特的分子表型,我们可能很容易觉得后者是前者的原因和机制;但实际情况未必如此。在对功能和机制进行推断和解释时,我们需要更加谨慎,避免不恰当地作出存在即合理的假设。存在可能只是不得已而为之。

原文链接:
https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaaw7908.full


制版人:Leon

参考文献

 

1. N. Liscovitch-Brauer et al., Trade-off between Transcriptome Plasticity and Genome Evolution in Cephalopods. Cell 169, 191-202 (2017).
2. D. Jiang, J. Zhang, The preponderance of nonsynonymous A-to-I RNA editing in coleoids is nonadaptive. Nat Commun 10, 5411 (2019).

 

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