三篇Immunity | Z-RNA编辑限制先天免疫识别内源性RNA

撰文 | 考拉王的桉树

人体先天性免疫系统会监测细胞内中异常的核酸分子，从而检测病原体的入侵。细胞内的双链核酸分子会形成一种异常的构象Z-DNA和Z-RNA，进而激活先天免疫响应。与经典的B-DNA (右旋双螺旋) 不同，Z-DNA是左旋双螺旋，具有之字形磷酸二酯骨架结构【1】。Z核酸，特别是Z-RNA的生物学功能尚处于未知状态。

少量涉及先天免疫的蛋白质包含被称为Zα的Z-DNA和Z-RNA结合域【2】，特异性结合和稳定Z-DNA和Z-RNA【3】。哺乳动物中有两个具有Zα 结构域的蛋白:Z-DNA结合蛋白1 (ZBP1) 和RNA 腺苷脱氨酶1 (ADAR1)。ADAR1有两种剪接亚型:ADAR1-p110，持续表达并定位于细胞核中；ADAR1-p150，IFN（interferons）诱导表达，存在于细胞核和细胞质中。ADAR1-p150的N端含有一个Zα域，在人体中，ADAR1突变会导致AGS（Aicardi-Goutières综合征） 而AGS患者中最常见的ADAR1突变(P193A)便位于Zα结构域内【4】。但ADAR1中不同的核酸结合域如何选择和招募RNA底物进行后续编辑及其功能尚不清楚。因此，研究Zα结构域对RNA的特异性贡献可能提供ADAR1发挥免疫功能的丰富信息。

近日，三项发表在Immunity上的研究同时报道了ADAR1的Zα-RNA结合域的突变足以在小鼠中诱发自身炎症，这些突变模拟了人类Aicardí-Goutières综合征，突出了Z-RNA编辑在先天免疫识别方面的重要作用。本文着重介绍牛津大学拉德克利夫医学院Jan Rehwinkel 课题组的研究工作：Adenosine-to-inosine editing of endogenous Z-form RNA by the deaminase ADAR1 prevents spontaneous MAVS-dependent type I interferon responses，他们构建了Zα-RNA结构域有两个错义突变的小鼠模型，发现这些小鼠在多个器官和细胞类型中自发诱导I型IFNs和ISGs，暗示了Z-RNA编辑在限制先天免疫对内源性RNA识别方面的重要作用。

为了研究Z-RNA与ADAR1-p150中Zα结构域在体内的相互作用，作者构建了ADAR1带有两个错义突变的小鼠模型mZα：p.Asn175Ala and p.Tyr179Ala。这些残基在Z型核酸结合中起重要作用，与人类ADAR1中的Asn173和Tyr177同源。作者发现ADAR1-p150结合Z-RNA在整个生物体水平上并不是生存所必需的。

接着他们测试了Adar1^mZα/mZα小鼠是否会自发激活I型IFNs。通过采集肺、肝、脾等组织，提取RNA进行qRT-PCR分析。在Adar1^mZα/mZα小鼠肺RNA样本中，Ifnb1 (编码 IFNβ) 的转录水平显著升高。不同类型的原代细胞中ISG（IFN-stimulated genes） 表达水平存在差异，在Zα结构域突变的肺成纤维细胞中ISG表达升高。而对于胚胎成纤维细胞，在WT 和Adar1^mZα/mZα细胞中检测到了相似水平的ISG，表明ISG诱导具有细胞类型特异性。

在不同器官中，肺表现出最强的ISG特征，在培养的肺成纤维细胞中也观察到自发ISG诱导。因此，作者将研究重点放在肺上进行后续实验。为了获得Adar1^mZα/mZα小鼠基因表达的整体情况，作者从肺中提取RNA进行RNA测序分析。测序结果表明，Zα结构域突变的动物的肺组织显示出I型IFNs驱动的基因特征。

为了识别在Adar1^mZα/mZα小鼠肺中显示ISG信号的细胞类型，作者利用MACS对肺中不同细胞进行分离。通过对不同类型的细胞，发现在Adar1^mZα/mZα小鼠的肺中，造血细胞和基质细胞等多种细胞都会启动I型IFN响应。为了进一步分析Adar1^mZα/mZα小鼠对ISG诱导的细胞需求，作者构建了骨髓嵌合动物模型，发现Adar1^mZα/mZα小鼠中的造血细胞便足以诱导野生型小鼠产生ISG信号。

鉴于Adar1^mZα/mZα小鼠自发的I型IFN反应，作者探究了Zα结构域突变小鼠是否对病毒感染有保护作用。实验结果提示Adar1^mZα/mZα小鼠在感染IAV的早期就受到了保护。相对于野生型小鼠，Adar1^mZα/mZα小鼠IAV复制和病毒诱导的炎症水平都有所降低。接着，作者研究了哪些核酸感知途径触发了Adar1^mZα/mZα小鼠自发ISG表达。因为ADAR1的缺失会导致MDA5-MAVS通路的激活【5】，作者便假设ADAR1 mZα/mZα小鼠的ISG信号是由MAVS驱动的。为了验证这一点，他们将ADAR1突变小鼠与Mavs^−/−小鼠杂交，在Adar1^mZα/mZα肺、肝脏和脾脏等器官中观察到，MAVS的缺失阻止了ISG的诱导。表明ADAR1-p150的Zα结构域参与了阻止MAVS介导的IFN诱导。

最后，为了识别由ADAR1-p150以Zα结构域依赖的方式编辑的天然RNA底物，作者分析了来自WT和Adar1mZα/mZα肺的RNA-seq数据。在WT和Adar1^mZα/mZα样品中，这些位点的中位编辑水平均为10%，表明Adar1^mZα/mZα小鼠的RNA编辑没有整体缺陷。通过对比WT和突变小鼠的编辑位点，发现约8%的编辑位点需要Zα结构域完整的ADAR1-p150才能进行有效的编辑。

小结，Z-核酸虽然在40年前就被发现了，但人们至今对其生物功能知之甚少。本文通过将突变引入ADAR1-p150 Zα结构域，阻止其与Z-RNA结合，揭示了I型IFN诱导是Z-RNA的一种生物学功能。Immunity同期上发表的三项研究，通过使用三种不同的诱变方法揭示了小鼠Adar1 p150的Zα结构域内功能突变的影响。这些发现的一致性突出了Z-RNA编辑在限制内源性RNA的先天免疫识别方面的重要作用。与此同时，一些令人诧异的不同结果又引出了更多新的问题。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.08.011

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.08.022

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.07.001

1. Wang A H J, Quigley G J, Kolpak F J, et al. Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution[J]. Nature, 1979, 282(5740): 680-686.

2. Athanasiadis A. Zalpha-domains: at the intersection between RNA editing and innate immunity[C]//Seminars in cell & developmental biology. Academic Press, 2012, 23(3): 275-280.

3. Brown, Bernard A., et al. "The Zα domain of the editing enzyme dsRNA adenosine deaminase binds left-handed Z-RNA as well as Z-DNA." Proceedings of the National Academy of Sciences 97.25 (2000): 13532-13536.

4. Rice, Gillian I., et al. "Mutations in ADAR1 cause Aicardi-Goutieres syndrome associated with a type I interferon signature." Nature genetics 44.11 (2012): 1243-1248.

5. Liddicoat, Brian J., et al. "RNA editing by ADAR1 prevents MDA5 sensing of endogenous dsRNA as nonself." Science 349.6252 (2015): 1115-1120.