分子生物学的中心法则被打破：首次在动物细胞核外观察到 RNA 的编辑

众所周知，遗传信息是从 DNA 传递到信使 RNA，再参与蛋白质的合成（中心法则），且所有的 RNA 编辑都发生在细胞核内，然后经过修饰的信使 RNA 被输出到细胞核外。然而最近的一项研究打破了这一传统观念。

美国马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物学实验室的研究人员发现，鱿鱼不仅能在神经元的细胞核内，还会在细胞核外的轴突大量编辑自己的基因指令。这是首次在动物细胞核外观察到的对遗传信息的编辑，这一发现撼动了分子生物学的中心法则。

2020 年 3 月 23 日，这项研究以《Spatially regulated editing of genetic information within a neuron》为题发表在国际顶尖期刊 Nucleic Acids Research （IF = 11.147）上。

一般来说，遗传信息在被翻译成蛋白质之前会从 DNA 保守地传递到 RNA。

但也有例外，有的时候可以对 RNA 进行编辑。

在多细胞动物中，RNA 编辑的最常见形式是由 ADAR（RNA 腺苷脱氨酶）家族的酶催化的腺苷水解脱氨为肌苷（A→I）的反应。这种 RNA 编辑事件可以调节多种蛋白质的功能特性，包括配体和电压门控离子通道、神经递质受体和其他信息蛋白，这对神经系统功能至关重要。但是与转录一样，A→I 的 RNA 编辑，之前一直都被认为仅在细胞核内进行。

ADAR2 同源蛋白是动物中主要的遗传信息再编辑器，而鱿鱼（D. pealeii）拥有通过替代性复制生成的两个 ADAR2 变体（SqADAR2a 和 SqADAR2b），从外显子编码双链 RNA 结合的基序（dsRBM）可以区分这两个变体。然而，通过抗体探测，作者发现鱿鱼中 SqADAR2a 和 SqADAR2b 的细胞定位是非典型的。

在其他物种中，rADAR2 主要存在于细胞核中，它染色表现出的斑块与核仁定位一致，这是因为需要编辑的 mRNA 通常需要去除内含子和拼接外显子序列，这个过程通常发生在细胞核中。

但是，鱿鱼（D. pealeii）的 SqADAR2a 和 SqADAR2b 在 81 - 87% 的细胞中表现出明显的胞质定位。

为了进一步确认 sqADAR 的亚细胞定位，作者手动解剖了 D. pealeii 的巨型轴突（GA）。GA 是由星状神经节（SG）内巨纤维叶神经元（GFL）发出的数百个小轴突组合而成的。GFL 也可以通过解剖分离，因此可以单独分析轴突、躯体甚至轴质。

从不同神经元组织中提取的等量蛋白质的 Western 印迹显示，所有神经组织均显示强信号。神经样品仅表达 SqADAR2b，而躯体可表达 SqADAR2a。接下来，作者通过离心将来自 SG 的整个样品分离为核和细胞质部分。

用 α-SqADAR2 抗血清处理这些样品后，在细胞质和细胞核中均显示出 SqADAR2a 和 SqADAR2b 的谱带。

大多数神经元都表达 SqADAR2，但是星状神经节中 GFL 神经元和大神经元的 SqADAR2 染色均不均匀。鱿鱼轴突是一个大直径的可运动轴突，它被平行延伸的小直径轴突的鞘包围，SqADAR2 染色在轴突和小神经的纵断面中很明显。

此外，蛋白质印迹显示在轴突的轴质中表达的是 SqADAR2b 亚型，而不是 SqADAR2a。

既然 sqADAR2 在细胞质中可以广泛存在且表达，那么是否可以在细胞核之外重新编码 mRNA 呢? 

答案是肯定的。

作者将来自各个部分的组织提取物与 RNA 双链底物一起孵育，其中所有腺苷均用同位素 32 P 标记，温育后，将反应物用 P1 核酸酶消化以释放核苷一磷酸，然后在薄层色谱板上层析以评估腺苷向肌苷的转化（A→I）。

如预期的那样，阴性对照不会导致 A 到 I 转化，而阳性对照（含有胞质 SqADAR2b）会导致 58% 的 A→I 转化。显然，神经纤维和轴质能够进行 A 到 I 的转化。

此外，轴突轴索浆（Axoplasm）中的 ADAR 具有位点特异性 mRNA 编辑的能力。

SqADAR2 在轴突中表达并可以重新编码特定的密码子，那么神经元不同区域之间的编码方式是否不同呢？

为了验证这一想法，作者通过转录组比较了轴突和细胞体之间 RNA 编辑的情况。结果表明，轴突转录组的差异远小于巨纤维叶神经元（GFL）转录组。在 GFL 中高度表达的转录本中富集了神经过程相关的功能，例如突触信号传导和离子通道活性。

在轴突中几乎检测不到 SqADAR1 和 SqADAR2 的转录本。因此，在轴突中检测到的 SqADAR2 蛋白最有可能在细胞体内翻译，然后转运至轴突。

此外，RNA 编辑模式在神经元区域之间有所不同，大多数 RNA 位点在轴突中进行了更广泛的编辑，并且编辑效率要比在细胞核中的高得多。

研究人员还发现鱿鱼严重依赖细胞核外的 RNA 编辑，对其 mRNA 的编辑比人类中高了几个数量级。这种方式能够通过重新编辑基因信息来微调神经系统中产生蛋白质类型，以满足细胞的功能需求。神经系统中可能需要产生更加多样化的蛋白质，以完成复杂的生物行为如记忆等。

展望

在人类中，轴突功能障碍与许多神经系统疾病有关。人类轴突中或许同样也存在天然 RNA 编辑过程。

这项最新成果可能对轴突功能障碍相关疾病的治疗带来有益见解和帮助，一些生物技术公司正努力探索是否能够利用这种自然的 RNA 编辑过程对人类进行治疗。

原文链接：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkaa172/5809668

封面来源：站酷海洛 Plus