A-to-I RNA编辑功能预测平台的构建与A-to-IRNA编辑生物学功能的系统分析

摘要

RNA编辑(RNA editing)是在初始转录本上插入、删除或替换单个或多个核苷酸从而改变原遗传信息的过程，是一种重要的转录后调控事件。目前两种碱基替换类型的RNA编辑研究较多，分别是广泛存在于真核高等生物中的A-to-IRNA编辑事件与广泛存在于高等植物线粒体中的C-to-U RNA编辑事件。近几年，哺乳动物体内的A-to-I RNA编辑现象引起广大科学工作者的关注。它是指ADAR(adenosine deaminases acting on RNA)编辑酶特异识别双链初始转录本，并将某些特定位点的腺嘌呤(A)脱氨形成次黄嘌呤(I)的过程。次黄嘌呤在碱基配对的过程中被识别成鸟嘌呤(G)，引起遗传信息的改变。在对神经递质受体的研究中发现，长的双链结构往往存在密集的A-to-I RNA编辑事件，这是由于不完全配对的茎环结构正是编辑酶ADAR特异性识别的底物二级结构。A-to-IRNA编辑事件发生在转录后剪接前，因而能够潜在影响后续一系列加工和调控的过程。例如能够引起密码子的改变，进而潜在影响所编码的蛋白质的功能。发生在构成性或可变剪切位点的RNA编辑事件可以创建或破坏前体mRNA剪接信号，导致全新或异常的剪接体出现。A-to-I RNA编辑事件不仅能够引起蛋白的多样性，还能引起非编码RNA分子的改变。这些改变包括miRNA和siRNA的成熟过程及其与靶标相互作用的过程。有研究表明脑中的A-t0一I RNA编辑事件一旦缺失或功能紊乱可能会引起神经系统疾病。在哺乳动物中会引起癫痫，肌萎缩性侧索硬化症，抑郁症等疾病；在果蝇和线虫中则会引起神经功能紊乱甚至胚胎致死的严重后果。实验证明特异位点A-to-I RNA编辑效率的升高或降低都可以产生与这个变化相对应的疾病症状，而外界的刺激和药物的治疗也可以引起某些特定的编辑事件发生调整和改变，这些现象说明A-to-I RNA编辑与机体的相互调节作用是极其重要的生理过程。而目前针对A-to-I RNA编辑事件功能影响都的研究是基于分子生物实验技术进行的，都是对单点的A-to-I RNA编辑事件进行分析和报道，缺乏系统性研究。本论文工作的目的就是通过建立A-to-IRNA编辑功能预测平台，系统的分析编辑事件的生物学功能及其生物学意义。
　　 正因为A-to-I RNA编辑事件有着广泛且重要的生物学功能，一批科学家基于Alu序列在全基因组的范围中预测出数以万计的A-to-I RNA编辑位点，希望借此大规模的数据能够更加全面的分析和了解A-to-I RNA编辑的生物学意义。这样大规模，高质量的数据出现，为本课题提供了有利的条件。本课题力图基于大批量由生物信息学方法预测得到的编辑位点信息与实验得到的位点信息，利用生物信息学的方法，通过整合多样资源(包括可本地化的蛋白质功能分析和预测软件，所需各类数据库资源)，运用perl语言编程，从核酸水平和蛋白质水平分析A-to-I RNA编辑事件对非编码RNA和mRNA转录后修饰的潜在影响以及对蛋白质结构、功能、理化性质等的潜在影响，建立一种系统分析A-to-I RNA编辑事件有效可行的研究方法。在此基础上，对初步分析A-to-I RNA编辑事件潜在的生物学功能开展相应的实验验证。此课题的意义还在于为研究其他类型的RNA编辑事件提供良好的研究模式。本论文分为两部分，第一部分为A-to-I RNA编辑功能预测平台的构建与实现；第二部分是在数据库对这些已知的A-to-I RNA编辑位点研究的基础上，对A-to-I RNA编辑的生物学功能和意义进行初探。
　　 一、A-to-I RNA编辑功能预测平台的构建与实现
　　 目的：设计并构建人A-to-I RNA编辑功能预测平台，探讨利用数据库的方式研究A-to-I RNA编辑功能的可能性和应用前景。
　　 方法：解析研究人A-to-I RNA编辑事件意义的数据流程，分析完成人A-to-I RNA编辑功能预测平台的功能需求，利用PHP，Perl编程，完成了人A-to-I RNA编辑功能预测平台的设计，并用搜集到的A-to-I RNA编辑数据进行性能测试与分析。
　　 结果：初步完成了A-to-IRNA编辑功能预测平台的构建，并以目前搜集到的数据为基础在全基因组的范围内对人A-to-I RNA编辑功能进行了初探。
　　 结论：目前搭建的A-to-I RNA编辑功能预测平台能够实现初步分析人A-to-I RNA编辑位点在核酸水平以及蛋白水平潜在的生物学影响，可以为实验研究提供良好的理论支持以及确立明确的研究方向，有良好的应用前景和实用价值。
　　 二、A-to-I RNA编辑事件生物学功能的探究
　　 目的：在核酸水平(包括A-to-I RNA编辑事件对piRNA的影响，A-to-I RNA编辑事件对ESE的影响)和蛋白质水平(主要针对A-to-I RNA编辑事件对氨基酸的改变)对A-to-I RNA编辑事件可能造成的影响进行实验验证和统计学分析。
　　 方法：基于A-to-I RNA编辑功能预测平台所得到的结果，用分子生物学实验技术验证A-to-I RNA编辑对piRNA的影响的初步探究；用统计学的方法讨论A-to-IRNA编辑事件对ESE影响的生物学意义；在蛋白质水平主要通过整理导致氨基酸发生类别间改变的A-to-I RNA编辑事件，初步探讨人A-to-I RNA编辑事件对蛋白质可能造成影响。
　　 结果：A-to-I RNA编辑事件可以改变piRNA的序列，但这种改变并不是普遍存在的，可能只是对某些piRNA分子起调控作用；3640个A-to-I RNA编辑位点可能使其所在的ESE功能发生改变且A-to-I RNA编辑事件对不同类型ESE潜在影响的结果不同：在能改变氨基酸的A-to-I RNA编辑位点中，有54.4％的位点使其改变的氨基酸发生类别间的转换，可能更容易引起蛋白质结构和功能的改变。
　　 结论：A-to-I RNA编辑事件在核酸水平和蛋白质水平广泛参与重要的生物学事件；A-to-I RNA编辑功能预测平台能够为实验研究提供良好的理论支持以及确立明确的研究方向，有良好的应用前景和实用价值。