基于组学大数据解析RNA编辑带来的基因进化动力学改变和功能适应性

A-to-I RNA editing is mediated by Adenosine Deaminase Acting on RNA (ADAR) family of enzymes, which convert adenosine to inosine via hydrolytic deamination in messenger RNA or long non-coding RNA. It is the most prevalent type of RNA editing, existing in metazoans to high vertebrates and having important biological functions in development, differentiation and environmental adaptation of animals. How A-I RNA editing is constrained in evolution, and the changes in evolutionary dynamics of hosting genes and the functional adaptation induced by its epi-function, have become the new front in epigenetic research and the focal issue of our proposed project..Based on our results from early studies, we propose three main contents in our project:.1) Establishing a model system with multiple related insect species (with an evolutionary history of 370 million years); conducting a genome wide big-data analysis on identification of A-to-I editing events with large data sets generated through high-throughput sequencing experiments and collected from public data sources; and building a database of A-I editing events. .2) Conducting experimental validations and estimating error rates on the obtained collection of A-to-I RNA editing events; analyzing the distribution, RNA second structure, and regulation of A-to-I editing events..3) Performing phylogenetic analysis of the A-to-I editing events, and revealing their evolution history; computing selection pressure on A-to-I editing sites, and analyzing the impact of selection pressure on host genes and induced change in evolutionary dynamics; analyzing the regulation of A-to-I RNA editing events in the biological processes, such as development and differentiation; experimentally exploring the biological functions of conserved the editing sites on lncRNA.

A-I RNA编辑是腺苷脱氨酶ADAR介导的、mRNA/lncRNA上腺嘌呤(A)脱氨基变为次黄嘌呤(I)的改变RNA编码机制，从后生动物到高等脊椎动物广泛存在，在发育、环境适应等方面有着重要功能。RNA编辑在系统进化中如何被约束、及其表观作用带来的基因进化动力学改变和宿主功能适应性，是系统生物学研究的新热点和本项目核心问题。在申请人前期成果基础上，将开展三项研究：1)建立昆虫动物5个目多物种模型系统（3.7亿年进化史）,通过测序实验/公共数据搜集，完成RNA编辑事件的系统性大数据计算筛选，建立数据库。2)开展实验验证和误差评估；分析编辑位点的统计分布/双链结构模式/编辑调控。3)开展A-I编辑事件系统进化分析，计算编辑事件的选择压力，阐明其进化过程；分析其对宿主基因的选择/进化动力的影响；分析编辑事件在发育等生理过程中的调控变化；进行果蝇实验分析lncRNA上保守编辑位点的生物学功能。

RNA编辑是近年来生命科学表观研究的新前沿热点领域。RNA编辑在生物界广泛存在，在生物发育、环境适应等方面有重要功能。RNA编辑增加了基因功能的一个重要调控层次，通过编码可塑性机制扩大了生物体遗传基因的复杂度和多样性。对RNA编辑的功能认知和应用研究方兴未艾，有一系列重要科学问题等待回答：RNA编辑对转录组/蛋白质组的影响有多大？RNA编辑本身在进化中是怎样被约束和选择的？RNA编辑的表观作用带给宿主的功能适应性是怎样实现的？RNA编辑作为一种生物技术手段如何更好的被使用？.本项目围绕这些重要科学问题，开展多方面的理论及相关的应用研究，获得了具有国际前沿性的成果：1) 完成了针对RNA编辑的系统生物大数据筛选和分析研究，构建了具有3.7亿年进化尺度的研究体系，创建了第一个昆虫RNA编辑数据集。2) 基于以上的分析数据阐明，A-I RNA编辑事件的基因分布和序列特征，尤其是RNA编辑在编码RNA和非编码RNA上的特征。开创性地利用RNA编辑位点的选择压力计算方法，阐明RNA编辑表观作用对宿主基因进化的影响。用本研究开发的RNA编辑位点选择压力计算模型，澄清了A-I RNA编辑带来的不同基因家族选择压力和进化的改变。首创性地将RNA编辑的选择进化位点分为三种类型，并发现第三类RNA编辑位点的正选择，主要跟神经系统的功能相关。3) 利用CRIPSR-cas13家族，设计与A-I的RNA编辑酶（ADAR）融合，国际上并列第一完成了基于CRISPR的RNA精确A-I编辑人工机器，为改变基因功能和调控表达提供了新方法和工具。4）国际上率先完成了对流感病毒感受细胞引起细胞RNA编辑作为一种对病毒的天然免疫反应的研究。同时还研究了真菌感染对宿主RNA编辑活动的影响，填补了RNA编辑在细胞对真菌感染的反应中所起作用的研究空白。5）国际上首次采用RNA编辑的策略，实现了对逆转录转座子Tf1的编辑干预，开拓了对逆转录病原体进行编辑干预的新思路，为RNA编辑技术的应用提供新的技术手段。6）在国际高水平学术刊物发表论文10篇，包括Cell Discovery, Nucleic Acids Research、Genome Biology、ACS Synthetic Biology等。申请RNA编辑方法相关专利3项。