《自然》：斯坦福大學李進李欽等揭示RNA編輯在炎症性疾病遺傳風險中的關鍵作用

北京時間2022年8月3日晚23時，美國斯坦福大學遺傳系

李進（Jin Billy Li）教授

和

李欽博士

以及合作者在

Nature

上發表文章“RNA editing underlies genetic risk of common inflammatory diseases”，發現由於遺傳因素引起的雙鏈RNA編輯水平的降低，是導致炎症性疾病遺傳風險升高的重要因素。

哺乳動物的先天性免疫系統對病毒感染有異常重要的作用。MDA5就是宿主細胞質中存在的雙鏈RNA 感受器，用來抵抗來自病毒的雙鏈RNA，進而產生抗病毒所需的干擾素（IFN，interferon）。然而宿主自身存在的大量雙鏈RNA如何避免被MDA5識別，從而引起不必要的自免疫反應呢？宿主中大量表達的ADAR1蛋白就是這個問題的答案。ADAR1是RNA編輯蛋白，會結合雙鏈RNA並把腺苷（adenosine）編輯成肌酐（inosine）（A-to-I RNA editing）【1】。正常情況下，ADAR1會編輯宿主自身的雙鏈RNA，從而避免被MDA5識別。ADAR1 RNA編輯的核心功能，直至近年才由斯坦福大學的李進教授及合作者們揭示【2】。不具備ADAR1編輯能力的突變體小鼠無法存活超過胚胎期13。5天，並表現出由干擾素免疫應答導致的多器官炎症反應。如果把MDA5基因同時敲除，突變體小鼠幾乎恢復得和野生型一樣。這項研究闡釋了ADAR1編輯的主要作用是標記內源的雙鏈RNA為“自我”，從而避免引發由MDA5介導的干擾素免疫應答和炎症反應（圖1）。

圖1。ADAR1-dsRNA-MDA5通路

在人類中，ADAR1功能喪失突變（LOF mutation）或者MDA5功能獲得突變（GOF mutation）會導致一些罕見的自身免疫性疾病，比如Aicardi-Goutières綜合症（AGS）。類似於ADAR1突變體小鼠，AGS病人變現出劇烈的炎症反應，證明ADAR1-dsRNA-MDA5通路在人類和小鼠中的功能是高度保守的。然而，絕大部分人群的ADAR1和MDA5基因都是正常的，對於ADAR1-dsRNA-MDA5通路在常見疾病中可能扮演的角色一直缺乏系統的認知。

在這項最新研究中

，首先，為了搞清楚常見的遺傳變異（genetic variation）如何在人體內影響雙鏈RNA的編輯水平，作者在人類組織轉錄組表達資料庫GTEx中開展了順式RNA編輯性狀座位分析（

cis

-edQTL，

cis

RNA editing quantitative trait loci，圖2）。在49個不同的人體組織中，作者共鑑定了超過3萬個對RNA編輯水平有順式調控作用的edQTL，其中近1/3具有組織特異性。作者發現遺傳變異透過改變RNA二級結構，ADAR1結合位點，RNA編輯三聯體基序等方式來影響附近的雙鏈RNA的編輯水平。

圖2。 順式RNA編輯性狀座位

接下來，作者透過與大量人類疾病全基因組關聯分析研究（GWAS）資料的聯合分析，發現edQTL高度富集於自身免疫性疾病GWAS，例如銀屑病、炎性腸病、風溼性關節炎、多發性硬化症、系統性紅斑狼瘡和I型糖尿病等（圖3）。一些非自身免疫，但是和免疫功能有緊密關聯的疾病（例如冠心病、肌萎縮側索硬化症和帕金森綜合症）也出現了edQTL的顯著富集。有趣的是，edQTL的富集水平在不同的疾病的器官和組織間存在明顯差異，尤其以免疫組織和疾病關聯組織為最高。

圖3。edQTL在炎症性疾病GWAS中的富集

edQTL在GWAS中的高度富集為RNA編輯在炎症性疾病中扮演的關鍵角色提供了有力的遺傳學證據。但是，人體裡有數萬個可被ADAR1編輯的雙鏈RNA，究竟哪些才是啟用MDA5介導的免疫反應的關鍵底物？哪些又和疾病的發生有密切關聯？針對這個問題，作者對17類炎症性疾病和edQTL展開了共定位（colocalization）分析，精確地鑑定了194個與炎症性疾病有高度因果效應的雙鏈RNA，命名為免疫原性雙鏈RNA（immunogenic dsRNA）。

圖4。 順式天然反義轉錄本雙鏈RNA

人類轉錄組包含數以百萬計的RNA編輯位點，其中95%以上位於反向重複序列（inverted repeats），特別是靈長類獨有的

Alu

重複序列。作者驚訝的發現，27-59%的免疫原性雙鏈RNA與反向重複序列無關，而是源於順式天然反義轉錄本（

cis

-NATs，

cis

natural antisense transcripts，圖4）。在之前的研究中，這種由

cis

-NATs形成的雙鏈RNA因為非常罕見，並未引起人們的重視。

cis

-NATs可以在同一基因位點進行反義轉錄和正義轉錄，從而形成完美鹼基配對的分子間（intermolecular）雙鏈RNA。由於和某些病毒在細胞內轉錄複製形成的雙鏈RNA具有高度的結構相似性，

cis

-NATs雙鏈RNA很有可能是MDA5的理想底物。作者透過實驗驗證發現，

cis

-NATs雙鏈RNA需要經過ADAR1的超編輯（hyper editing）來抑制免疫原性，否則未編輯的雙鏈RNA將被MDA5識別並引發細胞水平的干擾素免疫應答（圖5）。

圖5。 順式天然反義轉錄本雙鏈RNA具有高度免疫原性

遺傳變異是如何透過改變免疫原性雙鏈RNA的編輯水平來影響炎症性疾病的風險呢？小鼠和人類的遺傳學證據指出，當雙鏈RNA的編輯水平不足時會激發MDA5介導的干擾素免疫應答（圖1）。據此，作者提出瞭如下假設：炎症性疾病的GWAS遺傳變異對免疫原性雙鏈RNA編輯的效應並不是隨機的，而應具有明顯的方向性。具體來說，遺傳變異的兩組等位基因中，保護等位基因（protective alleles）維持甚至升高目標免疫原性雙鏈RNA的編輯水平，而風險等位基因（risk alleles）則相對的降低編輯水平。如此一來，富集了炎症性疾病GWAS遺傳變異的個體體內將積累過多的、編輯不足的免疫原性雙鏈RNA，進而啟用MDA5並引發干擾素免疫應答，提高患病風險（圖6）。

圖6。 遺傳變異透過改變免疫原性雙鏈RNA編輯水平引發免疫反應的模式圖

為了驗證這一假設，作者在全基因組水平無差異的分析了24種疾病的GWAS遺傳變異對不同人體組織的免疫原性雙鏈RNA編輯水平的影響。在多個自身免疫性疾病/炎症性疾病中，作者發現了壓倒性的方向性效應，既風險等位基因和免疫原性雙鏈RNA編輯水平降低顯著相關，且在疾病相關組織中表現得尤為明顯。作為對照，這一方向性效應在和免疫無關的疾病/性狀中並不顯著。

為了進一步在疾病組織中尋找證據，作者對數百個採集自風溼性關節炎、多發性硬化症、系統性紅斑狼瘡以及冠心病患者的樣本進行了等位基因特異性RNA編輯（ASED，allele-specific editing）分析。作者發現在病人樣品中，風險等位基因的特異性RNA編輯水平相較於保護等位基因有著顯著降低。更重要的是，RNA編輯水平降低和干擾素免疫應答水平升高呈現顯著的正相關關係（圖7）。這些發現和ADAR1-dsRNA-MDA5通路的分子機理完全吻合。

圖7。 等位基因在疾病組織中的對RNA編輯水平的方向性效應

綜上所述，本文作者基於完善的ADAR1-dsRNA-MDA5免疫通路，透過人類遺傳學研究方法，發現了由遺傳變異導致的雙鏈RNA編輯水平下降是引發自身免疫病/炎症性疾病的一個重要機制（圖8）。這些常見遺傳變異在自身免疫病/炎症性疾病病人體內會同時降低至少數百個免疫原性雙鏈RNA的編輯水平，從而激發了由MDA5介導的干擾素免疫應答，最終引起慢性炎症反應。這一發現為自身免疫病/炎症性疾病的篩查、診斷和治療提供了新的思路，提示在疾病相關組織和細胞中抑制MDA5的異常啟用是一個極具潛力的新靶點。

圖8。 RNA編輯水平降低是引發炎症性疾病遺傳風險的關鍵機制之一

這項工作由斯坦福大學李進教授實驗室的李欽博士主導，得到了斯坦福大學Stephen Montgomery教授實驗室和Jonathan Pritchard教授實驗室，復旦大學麻錦彪教授實驗室以及其他合作者的大力支援。

相關論文資訊：

https：//doi。org/10。1038/s41586-022-05052-x

參考文獻

1。Tan， M。 H。， et al。 （2017）。 “Dynamic landscape and regulation of RNA editing in mammals。” Nature 550（7675）： 249-254。

2。Liddicoat， B。 J。， et al。 （2015）。 “RNA editing by ADAR1 prevents MDA5 sensing of endogenous dsRNA as nonself。” Science 349（6252）： 1115-1120。

3。Crow， Y。 J。， et al。 （2015）。 “Characterization of human disease phenotypes associated with mutations in TREX1， RNASEH2A， RNASEH2B， RNASEH2C， SAMHD1， ADAR， and IFIH1。” Am J Med Genet A 167A（2）： 296-312。