近日，植物保护学院彩万志、李虎、段元格团队在《细胞和分子生命科学》（cellular and molecular life sciences）在线发表了题为《首个半翅目昆虫九香虫的a-to-i rna编辑图谱揭示早期分化昆虫类群中存在大量重编码及内含子编辑位点》的研究论文。该研究以重要药用昆虫九香虫coridius chinensis为研究材料，在半翅目昆虫中首次描绘了a-to-i rna编辑图谱，揭示了非同义rna编辑位点（nonsyn）受到的正向自然选择信号，同时鉴定到少量在不同目的昆虫中高度保守的nonsyn编辑位点，并发现其中一些具有重要功能的位点可能参与昆虫的低温胁迫反应，帮助生物适应环境的变化。
腺嘌呤到次黄嘌呤（a-to-i）rna编辑是在动物中广泛存在的rna修饰（图1）。由于i会被识别为g，因此a-to-i rna编辑效果上类似于a-to-g dna突变，能潜在地改变氨基酸，产生非同义突变（nonsyn）。相比于dna突变的多效性，rna编辑能时空特异性地灵活调控蛋白多样性，使生物快速应对环境变化。然而，在漫长的演化过程中，rna编辑究竟是促进生物适应环境的一种有利机制，还是仅仅是分子层面随机发生的噪音，一直是领域内讨论的热点问题。而自然选择在基因组中留下的痕迹则是回答以上问题的重要线索：如果nonsyn编辑位点总体上是具有优势的，那么这些位点的出现频率和编辑水平应当高于中性预期（以同义位点syn作为对照）；反之则说明nonsyn编辑位点并无优势，可能只是由于随机漂变而保留下来的。
图1 a-to-i rna编辑简介。
a. 后生动物中，adar家族蛋白介导a-to-i mrna编辑的发生（zhao et al., 2024, nucleus）；b. 发生在cds的rna编辑事件可以改变氨基酸（duan et al., 2022, wiley interdiscip rev rna）
昆虫是动物界数量最多、分布广泛、适应性强、多样性极高的类群。前期的相关研究已经在完全变态类昆虫中的双翅目果蝇（duan et al., 2017, plos genet）和膜翅目蜜蜂（duan et al., 2021, iscience）中独立观察到了nonsyn编辑位点的正选择信号，说明nonsyn编辑位点具有某种优势，能提高生物适合度从而被自然选择保留下来，而这种优势很可能是通过灵活调控蛋白多样性的方式来实现的。但是，在更大的演化尺度上，尤其是在不完全变态类这一独特而重要的昆虫进化分支中，rna编辑位点的数量和分布是怎样的，以及nonsyn编辑位点是否受到正选择，还不得而知。
该研究以半翅目九香虫为研究对象，首先基于illumina、pacbio hifi测序和hi-c技术，通过自主搭建的生物信息学流程，获得了该物种染色体水平参考基因组，大小为1.40 gb，n50达到209.1 mb。在该研究中，经过常温组26 ℃和低温组10 ℃（24 h）的处理，对每只个体头部转录组及对应虫体的基因组进行测序（图2a）。通过一系列生物信息学分析流程（图2b），将所有样品中鉴定到的rna编辑位点取并集，共获得2904个高可信度的a-to-i rna编辑位点（图2c）。
图2 九香虫rna编辑位点的鉴定。
a. 实验设计；b. 判定rna编辑位点的方法示意图；c. rna水平发生改变的位点中，a-to-g位点占绝大部分，被认为是可靠的a-to-i rna编辑位点
九香虫中大量编辑位点位于内含子上，但关注cds上的位点则发现nonsyn编辑位点的出现频率（图3a）和编辑水平（图3b）都显著高于同义syn编辑位点。这是继果蝇和蜜蜂之后又一个观察到nonsyn编辑位点正选择信号的昆虫物种。该结果表明，昆虫基因组中演化出过剩的nonsyn位点可能并非偶然，至少在较早分歧的不完全变态类昆虫中就已经存在，同时也说明nonsyn编辑位点在昆虫的适应性演化中发挥了重要功能才得以保留。
图3 九香虫nonsyn编辑位点的正选择信号及保守性。
a. 分布在基因组各区域的rna编辑位点数量，红线为预期的nonsyn位点数量；b. nonsyn与syn编辑位点的编辑水平对比；c. shab基因cds上保守或不保守rna编辑位点；d. 九香虫y>c编辑位点sanger测序验证；e. 九香虫s>g编辑位点的保守情况
接下来的问题是，这些数量超出预期的nonsyn位点是在昆虫的祖先就获得并保留到了现存物种中，还是在这些物种分歧之后才独立获得的rna编辑位点？进一步的分析结果表明，在果蝇、蜜蜂、九香虫cds上保守的编辑位点非常少（图3c），仅有两个改变氨基酸的nonsyn位点在物种间保守，即位于钾离子通道shab基因上的y>c位点（图3d）和s>g位点（图3e）。这说明nonsyn位点虽然数量高于预期，但大部分是在不同物种中独立获得的，而仅有小部分高度保守的nonsyn位点可能在昆虫的祖先中获得。
该研究还发现低温处理会引起九香虫整体rna编辑水平的下调（图4a），该结果与头足类海洋动物和果蝇中观察到的现象不完全相同；而转录组差异表达分析的结果表明，rna编辑的变化可能与九香虫能适应低温并触发滞育的生理特征相关。有趣的是，上面提到的高度保守的s>g位点在低温时编辑水平显著上升（图4b），原因是该rna编辑位点处于温度敏感的双链rna结构之中（图4c）。同时，由于s>g位点位于蛋白结构域中（图4d），其引起的蛋白序列改变可能对钾离子通道的活性和功能有较大影响。因此，rna编辑位点响应了温度变化并通过调节蛋白功能来辅助生物适应环境。
图4 九香虫rna编辑位点响应低温。
a. 低温时编辑水平的整体变化；b. shab基因s>g位点在低温时编辑水平上升；c. s>g位点位于rna二级结构中；d. s>g位点位于蛋白结构域中
综上所述，本研究描绘了首个半翅目昆虫的a-to-i rna编辑图谱，揭示了nonsyn编辑位点受到的正向自然选择信号，通过位点保守性分析证明这些数量超出预期的nonsyn位点是在昆虫演化过程中独立获得的。同时，在跨越不同目的昆虫中高度保守的nonsyn编辑位点具有重要功能，并且参与了昆虫的低温胁迫反应。该工作有助于我们理解rna编辑在昆虫纲的起源、演化、生物学功能和意义，以及其如何帮助生物适应多变的环境，同时也进一步加深了对中心法则中rna角色的理解。
中国农业大学植物保护学院李虎教授为论文最后通讯作者，段元格副教授、博士生马玲、刘霁瑶为论文共同第一作者，团队彩万志教授、宋凡副教授、田里副教授、博士生刘新芝等参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金、中国农业大学2115人才培育发展计划、北京市青年人才托举工程等项目的支持。
该论文第一作者段元格副教授于2022年11月以优秀人才引进我校，主要从事昆虫演化基因组学研究，致力于探索a-to-i rna编辑在昆虫中的演化规律和生物学意义，曾以第一作者、共同第一作者或通讯作者在 nature communications、molecular biology and evolution、cellular and molecular life sciences、plos genetics、rna等国际知名期刊发表论文。入校工作后先后入选北京市科协和中国科协青年人才托举工程。
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供稿：植保学院
供图：植保学院
编辑：李杨
责编：孟祥慈
