Mol Cell | 高阳团队解析人类ADAR1介导RNA编辑的分子机制

RNA编辑作为基因表达调控的核心机制之一，其关键酶ADAR1通过催化双链RNA（dsRNA）中腺苷（A）向肌苷（I）的转化，在先天免疫调控、神经发育及肿瘤免疫微环境塑造中发挥不可替代的作用。人类ADAR1的功能异常与多种疾病密切相关，包括自身免疫性疾病Aicardi-Goutières综合征（AGS）和肿瘤免疫逃逸。然而，ADAR1如何精准选择RNA底物，以及致病突变如何破坏其功能，一直是领域内亟待解决的难题。

2025年3月17日，美国莱斯大学高阳教授课题组联合贝勒医学院、休斯顿卫理公会研究所在Molecular Cell期刊发表题为Biochemical profiling and structural basis of ADAR1-mediated RNA editing的研究论文。该研究通过整合高通量生化分析、冷冻电镜（Cryo-EM）单颗粒重构及转录组测序（RNA-seq），首次系统揭示了ADAR1的底物选择规律及其疾病相关突变的分子机制，为精准调控RNA编辑及靶向治疗提供了全新视角。莱斯大学博士后邓翔宇为论文第一作者。

ADAR1通过编辑dsRNA抑制MDA5等先天免疫传感器的异常激活，从而维持免疫稳态。其两种异构体ADAR1-p150（干扰素诱导型）和ADAR1-p110（组成型）具有不同的亚细胞定位与功能偏好：ADAR1-p150主要定位于细胞质，负责编辑长链dsRNA（如Alu重复序列），以屏蔽自身RNA引发的免疫反应；而ADAR1-p110则定位于细胞核，参与特定mRNA的编辑。尽管ADAR1对胚胎发育和免疫平衡至关重要，但其底物选择的核心规则及突变致病机制长期未被阐明。临床研究表明，ADAR1功能缺失突变可导致AGS，而肿瘤中ADAR1的异常高表达则与免疫检查点抑制剂耐药性密切相关。因此，解析ADAR1的分子机制具有重要的科学意义与转化价值。为揭示ADAR1的底物偏好，研究团队设计并纯化了近百种RNA底物，涵盖不同双链长度、序列特征及错配模式，并通过体外酶联反应结合Endonuclease V切割检测，定量分析编辑效率。结果显示，ADAR1对dsRNA双链编辑活性高度依赖于dsRNA的序列和长度特征。例如，5'端需大于3 bp，3'端需大于6 bp，短于该阈值的RNA编辑效率显著下降。非编辑链5'邻位对腺苷（A）具有强烈偏好，而编辑位点对面的“孤儿碱基”优先为胞嘧啶（C）或尿嘧啶（U）。当“孤儿碱基”为腺嘌呤（A）或鸟嘌呤（G）时，编辑效率降低至不足10%。同时，研究还发现编辑位点附近的错配（如A:C或G:U）可通过ADAR1诱导的局部RNA构象重塑被高效编辑。进一步研究发现，ADAR1对不同生理性RNA底物（如胶质瘤相关GLI RNA和5-HT受体前体HT RNA）的编辑遵循相同规则。例如，HT RNA的3'端双链长度从25 bp缩短至6 bp时仍保持60%的编辑活性，但进一步缩短至5 bp则活性降至20%以下。因此，ADAR1 对底物RNA的最小双链长度需求与错配容忍性可能解释了ADAR1在内源性RNA中广泛编辑的现象。

为进一步解析分子机制，研究团队利用冷冻电镜技术解析了ADAR1与两种RNA底物（GLI-dsRNA和 HT-dsRNA）的复合物结构，分辨率分别达到3.01 Å和3.20 Å。结构分析揭示了ADAR1以二聚体形式结合RNA，两个催化亚基（单体A和单体B）在活性位点呈现显著构象差异。单体A直接参与底物结合与编辑，而单体B通过稳定二聚化界面辅助功能。动态RNA识别机制显示，ADAR1通过诱导RNA局部解旋，使编辑位点腺苷翻转进入催化口袋。关键残基 E1008与“孤儿碱基”形成氢键网络，决定底物特异性。此外，ADAR1的第三个RNA结合域（RBD3）通过预锚定dsRNA，引导底物进入催化中心。值得注意的是，在结构中观察到的ADAR1对底物RNA双链长度和序列偏好与生化实验中的发现高度一致，这一结果进一步验证了ADAR1对底物的选择原则，并从结构层面提供了直接证据（图一）。

针对7种AGS相关突变（如G1007R、R892H、K999N）的功能研究表明，不同突变对ADAR1活性的影响具有显著异质性。G1007R位于二聚化界面，其侧链与R1030及RNA骨架发生空间冲突，导致二聚体解离及碱基翻转受阻，完全丧失编辑活性。A870T和K999N突变选择性损害短双链RNA（<10 bp）的编辑能力。这种缺陷可能导致内源性Alu元件的“免疫屏蔽”失效，从而异常激活干扰素信号通路。结合RNA测序数据 (RNA-seq)，研究证实ADAR1突变对短双链RNA编辑的特异性影响，进一步凸显其在维持免疫平衡中的精细调控作用。

综上，本研究通过整合ADAR1的生化特分析、原子级结构表征及突变功能表型，系统性解析其底物选择机制及疾病相关突变效应，深化了对RNA编辑动态过程的理解，也为开发靶向ADAR1的癌症免疫疗法提供了结构基础。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.02.017

制版人： 十一

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