近日，西北农林科技大学植保学院刘慧泉教授团队在Nature Communications上在线发表了题为“Unveiling the A-to-I mRNA editing machinery and its regulation and evolution in fungi” 的研究论文，该研究以小麦赤霉病菌为研究材料，揭示了真菌中A-to-I mRNA编辑的酶复合体，并明确了其起源、进化和调控机制。研究结果对真菌病害防控和基因编辑工具开发具有重要意义。
A-to-I mRNA编辑是一种关键的遗传信息修饰机制，它能够在mRNA分子中将腺苷（A）转变为肌苷（I）。由于肌苷（I）在化学结构上与鸟苷（G）相似，因此在蛋白质翻译过程中，肌苷（I）会被当作鸟苷（G）来识别和使用，从而可能导致编码的蛋白序列发生变化。过去，A-to-I mRNA编辑主要在动物中被研究和报道，但刘慧泉团队在2016年首次在真菌中发现了这一现象，并证明它在小麦赤霉病菌等真菌的有性生殖和适应性进化中起着至关重要的作用1,2,3。在动物中，A-to-I mRNA编辑是由ADAR酶催化的，但真菌中并不存在ADAR的同源基因，且编辑位点的偏好性不同4，这使得真菌中A-to-I mRNA编辑的发生机制成为一个长期未解的科学谜题。
经过近8年的深入研究，刘慧泉团队终于揭示了真菌中A-to-I mRNA编辑的酶复合体，并明确了其起源、进化和调控机制。
1. 发现了真菌中A-to-I mRNA编辑酶复合体Tad2-Tad3-Ame1。Tad2-Tad3异源二聚体是真核生物中保守的tRNA特异的腺苷脱氨酶，主要负责tRNA反密码子环上第34位的A-to-I编辑。在这个复合体中，Tad2是催化亚基，Tad3是结构亚基。Tad3具有两个重要的结构域：C-末端结构域与Tad2互作，共同构成催化中心；N-末端结构域则负责tRNA的结合。Tad2-Tad3复合体对tRNA的“三叶草”结构具有严格的选择性，这确保了它们只能识别和编辑tRNA。然而，真菌中特异性进化出的一种蛋白——Ame1，打破了这一底物识别的限制。Ame1通过与Tad3的N-末端tRNA结合结构域互作，使得Tad2-Tad3-Ame1三元复合体能够识别和编辑mRNA。
2. 明确了真菌中A-to-I mRNA编辑特异性发生在有性生殖阶段的原因。mRNA编辑激活因子Ame1仅在有性生殖阶段诱导表达，这是A-to-I mRNA编辑特异性发生在有性生殖阶段的直接原因。此外，转录水平和翻译后水平的调控对编辑酶复合体在有性生殖阶段的活性也起到关键作用。Tad2和Tad3通过可变转录起始在有性生殖阶段产生一种5’-末端缩短的短转录本，这种短转录本的翻译效率更高。特别是，Tad2的短转录本产生的蛋白N-末端缩短了112个氨基酸残基，与Tad3的互作能力更强。而Tad3在有性生殖阶段特异地进行了乙酰化和磷酸化修饰，这些修饰对于其特定功能的发挥是必要的。A-to-I mRNA编辑虽然对真菌有性生殖有利，但当在无性阶段人工表达Ame1激活A-to-I mRNA编辑后会对小麦赤霉病菌生长和侵染不利。这一发现与课题组近期有关RNA编辑的适应性优势的研究5,6共同表明，A-to-I mRNA编辑特异性发生在有性生殖阶段，这不仅避免了由编辑自身带来的生存与生殖之间的权衡问题，还能化解因基因拮抗多效性造成的生存与生殖之间的权衡，从而促进真菌在生存与生殖两方面的最优化。
3. 揭示了真菌中A-to-I mRNA编辑机制的起源和进化。mRNA编辑激活因子Ame1的同源基因在真菌界中普遍存在，并在不同真菌世系中经历了多次复制和水平基因转移事件。特别是在粪壳菌纲（Sordariomycetes）和锤舌菌纲（Leotiomycetes）真菌的最近共同祖先上，发生了一次基因复制事件。这一复制事件产生的一个拷贝在粪壳菌纲真菌的进化过程中，通过快速变异，获得了与Tad3互作的能力，最终进化成了mRNA编辑激活因子Ame1。因此，A-to-I mRNA编辑为粪壳菌纲真菌中的一个保守机制。研究还揭示了Ame1上与Tad3互作以及mRNA编辑起源密切相关的关键氨基酸替代KN500-501MV。此外，在Tad3蛋白上也鉴定出了大量特异性与mRNA编辑活性相关的氨基酸位点，为进一步研究tRNA和mRNA编辑机制提供了可能。
4. 展示了真菌A-to-I mRNA编辑系统在医疗和农业上的巨大应用潜力。研究证明，Tad2-Tad3-Ame1三元复合体在包括酵母、植物以及人源细胞系在内的各种真核生物类群中均展现出A-to-I mRNA编辑活性，并且在原核生物细菌中也具备很高的A-to-I mRNA编辑活性。这一发现表明真菌的A-to-I mRNA编辑系统具有广泛的适用性，因此，它可被用于基因编辑工具的设计和开发，特别是针对基因治疗，用于修复人类的遗传疾病。Ame1通过蛋白质相互作用，能使保守的tRNA编辑酶转化为mRNA编辑酶，这对酶学研究具有重要启示。深入研究Ame1如何与其他酶相互作用，可能会为我们创造出全新的工具酶。此外，由于A-to-I mRNA编辑是真菌有性生殖所必需的，但对生存（包括生长发育和致病性）不利，因此，A-to-I mRNA编辑酶复合体将是控制真菌病害的优良靶标。通过激活或抑制其编辑活性，可以控制病原真菌的生存和繁殖。
西北农林科技大学植保学院刘慧泉教授为论文通讯作者，博士研究生冯婵婧（现为博士后）、辛凯芸（现为博士后）、杜雁飞、邹靖雯为论文共同第一作者。植保学院康振生院士、王晓杰教授、江聪研究员和王秦虎副教授以及生命学院黄伟伟副教授对论文研究也做出了重要贡献。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划等项目资助。
图1 真菌中A-to-I mRNA编辑酶复合体的工作原理和调控机制
论文全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48336-8?utm_campaign=related_content&utm_source=HEALTH&utm_medium=communities
课题组应邀在Springer Nature Research Communities上分享了该科学发现：Unveiling the Mystery of Fungal RNA Editing Machinery: A Story of Unexpected Discoveries （https://communities.springernature.com/posts/unveiling-the-mystery-of-fungal-rna-editing-machinery-a-story-of-unexpected-discoveries）
参考文献：
1.Liu H, et al. Genome-wide A-to-I RNA editing in fungi independent of ADAR enzymes. Genome Res 26, 499-509 (2016)
2.Liu H, et al. A-to-I RNA editing is developmentally regulated and generally adaptive for sexual reproduction in Neurospora crassa. Proc Natl Acad Sci U S A 114, E7756-E7765 (2017).
3.Bian Z, et al. A-to-I mRNA editing in fungi: occurrence, function, and evolution. Cell Mol Life Sci 76, 329-340 (2019).
4.Feng C, et al. Uncovering Regulatory Elements Important for A-to-I RNA Editing in Fusarium graminearum. mBio13(5):e0187222 (2022).
5.Xin K, et al. Experimental evidence for the functional importance and adaptive advantage of A-to-I RNA editing in fungi. Proc Natl Acad Sci U S A 120, e2219029120 (2023).
6.Qi Z, et al. Adaptive advantages of restorative RNA editing in fungi for resolving survival-reproduction trade-offs. Sci Adv 10, eadk6130 (2024).