作物病原真菌功能基因组学研究团队在RNA编辑功能和适应性优势方面取得新进展

近日，作物病原真菌功能基因组学研究团队在PNAS上在线发表了题为“Experimental evidence for the functional importance and adaptive advantage of A-to-I RNA editing in fungi” 的研究论文，该论文不仅证明单个位点上的RNA编辑事件对禾谷镰孢有性生殖具有关键调控作用，而且为长期争议的RNA编辑适应性优势猜想提供了令人信服的遗传学实验证据。

在已知的众多类型的RNA修饰中，只有少数能够改变RNA序列的编码能力，这些修饰被称为RNA编辑。大多数类型的RNA编辑只存在于细胞器中（如植物线粒体和叶绿体中的C-to-U RNA编辑），只有少数发生在核基因组编码的RNA上，其中最著名、研究最为深入的是A-to-I RNA编辑。A-to-I RNA编辑现象于1988年首次在动物中报道，直到2016年才被该团队在动物以外的物种——真菌中报道。A-to-I RNA编辑通过酶促脱氨基作用将RNA分子中的腺苷（A）转变为肌苷（I），而肌苷被各种细胞过程识别为鸟苷（G），因此，A-to-I RNA编辑相当于RNA上的A-to-G突变，如果编辑发生在密码子的前两位，会导致蛋白序列发生改变。

由于RNA编辑在特定位点上具有一定的编辑水平，单个细胞内可同时表达一定比例的未编辑和编辑后的RNA/蛋白。因此，通常假定RNA编辑具有增加细胞内蛋白组多样性，提高物种环境适应性的优势，但是这一猜想因为缺乏实验证据的支持，一直备受争议。该团队通过基因敲除和定点突变对禾谷镰孢中A-to-I RNA编辑位点及其所在的基因进行了系统性功能研究，发现CME5和CME11基因上的编辑位点对禾谷镰孢有性生殖具有重要调控功能（图1）。只表达编辑后CME5蛋白的菌株有性生殖正常，但只表达编辑前CME5蛋白的菌株子囊和子囊孢子形成与敲除突变体一样存在严重缺陷（图1A），表明CME5的RNA编辑具有调控有性发育的重要功能。在CME5编辑位点上，编辑前的氨基酸残基（R）在子囊菌门真菌中保守，而编辑后的氨基酸残基（G）少见（图1B），意味着在该位点通过RNA编辑产生R/G两种蛋白比通过基因组突变只表达一种编辑后的G蛋白具有更高的进化适应性。更为重要的是，该研究发现只表达编辑前（T残基）或编辑后（A残基）形式的CME11蛋白的菌株在子囊孢子形成中均存在明显缺陷，但同时表达两种形式的CME11蛋白的菌株表现正常（图1C），表明CME11上的编辑位点不仅重要，而且具有“杂合优势”（heterozygote advantage），即同时表达两种形式的蛋白比单独表达任何一种蛋白具有更大优势。通过进一步研究发现，CME11蛋白的编辑位点很可能被磷酸化，A-to-I RNA编辑导致的T>A氨基酸改变具有模拟去磷酸化的作用（图1D），因此RNA编辑很可能通过调控该位点的磷酸化水平进而影响有性发育，揭示了RNA编辑 “杂合优势”形成的潜在机制。

图1. CME5和CME11基因上RNA编辑位点的功能和适应性优势

博士研究生辛凯芸为该论文第一作者，刘慧泉教授为通讯作者，江聪教授、王秦虎副教授、普度大学Jin-Rong Xu教授及团队研究生为该项工作做出了重要贡献。该研究工作受到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助，感谢旱区作物逆境生物学国家重点实验室研究平台的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2219029120