עריכת RNA

עריכת RNA הוא תהליך תוך תאי שגורם לשינוי ברצפי ה-RNA מהתבנית המקורית של ה-DNA (או ה-RNA). הריאקציה של עריכת ה-RNA משנה רק נוקלאוטיד אחד או שניים, ויכולה לגרום למחיקה או החדרה של בסיס; כתוצאה מכך יכולים להשתנות קודונים ב-mRNA, עשויים להיווצר אתרים חדשים של שחבור, קודוני פסק, ואף שינויים מבניים של ה-RNA. התהליך של עריכת RNA מתרחש בכל מערכות החיים - בחולייתנים, חסרי חוליות, צמחים, חיידקים ווירוסים ומשפיע על סוגים שונים של מולקולות RNA כולל mRNA, rRNA, tRNA, miRNA. תהליכי עריכת RNA נראים מגוונים מאוד מבחינת המנגנון המולקולרי שלהם, ונראה שהתפתחו מספר פעמים באופן בלתי תלוי במהלך האבולוציה. ישנם מספר סוגים של תהליכי עריכה של RNA שגורמים למגוון הזה, כולל חילופי נוקלאוטידים, כגון Cytidine (C) ל-Uridine (U) ו-Adenosine (A) ל-Inosine (I), וכן תוספות ומחיקות של נוקלאוטידים שאינם מצויים בתבנית ה-DNA הגנומית. עריכת RNA זוהתה לראשונה בשנות ה-80 ב- mRNA המקודד על ידי המיטוכונדריה של יצורים חד תאיים – טריפנוזומה, כאשר התרחשה מחיקת נוקלאוטיד, או הוספה של הנוקלאוטיד U. חוקרים זיהו, שב-mRNA של תת-יחידה 2 של cytochrome c oxidase (cox2) במיטוכונדריה של טריפנוזומה יש ארבעה נוקלאוטידים U שאינם מקודדים בגנום המיטוכונדריה. לאחר גילוי זה נתגלתה עריכת RNA ב-mRNA המקודד לחלבון אפוליפופרוטאין באדם, ובמספר מולקולות המקודדות לחלבונים ב-DNA המיטוכונדרי של צמחים.המרחק האבולוציוני בין האורגניזמים השונים שבהם נצפתה העריכה, וההשפעה על הפנוטיפ ופעילות התא והאורגניזם (ראו בהמשך) מרמזים על החיוניות של מנגנוני העריכה השונים. במסגרת תהליך זה של עריכת RNA נוצרים שני סוגים של RNA - ה-mRNA הערוך מראש (pre-edited mRNA) ומולקולת gRNA (guide RNA). עריכת ה-RNA מתרחשת באמצעות מחיקה או החדרה של הנוקלאוטיד Uridine (U), שתוארה לראשונה בקינטופלסט-מיטוכונדריה של T.brucei; יש לציין, כי היקף העריכה משתנה בין מספר בסיסי Uracil שנמצאים בכמה אתרים סמוכים למאות אתרי Uracil שנמצאים ברחבי הגנום כולו - "עריכה פנורמית" (pan-editing). כדי שתתרחש החדרה או מחיקה של בסיסים יש צורך בזיווג בסיסים בין gRNAs ותבניות RNA שנערכו מראש. בעריכת החלפה, כתוצאה משינויים בתכונות זיווג הבסיסים של הריבונוקלאוזידים ששונו מתרחשת החלפה של בסיסים שגורמים או לשינוי בקוד לחומצה אמינית אחת (או יותר), או החלפה שתשפיע על התכונות המבניות של RNAs. השינויים הנפוצים ביותר הם: החלפה של C ל-U, ושל-A ל-I (אינוזין נקרא כמו גואנין לאחר מכן). בנוסף, תוארו שינויים נוספים של U ל-C, G ל-A וגם החלפה מ-U ל-A, אם כי במידה מועטה. עריכת ההחלפה מתרחשת ב- pre-mRNAs וגם ב- tRNAs. החלפה מ- A ל-I: עריכה מ-A ל- I (איור 1) מתייחסת להידרוליזה האנזימטית של אדנוזין לאינוזין, על ידי האנזימים ממשפחת ה-ADAR (Adenosine deaminase Acting on RNA). ההחלפה הזאת גורמת להחלפת נוקלאוטיד מכיוון ש-I מזוהה כ-G במקום A הן על ידי ריבוזומים והן על ידי RNA פולימראז. חלבוני ADAR אופיינו באורגניזמים שונים כמו חולייתנים, חרקים, ותולעים. ביונקים ידועים שלושה גנים של ADAR (ADAR1, ADAR2 ו-ADAR3 ), מהם שניים (ADAR1 ו-ADAR2) ידועים כפעילים מבחינה אנזימטית כדה-אמינאזות, ואילו פעילותו הקטליטית של השלישי (ADAR3) כ- deaminase טרם נצפתה. באאוקריוטים יש שני אזורים שמתרחשת בהם החלפה מ-A ל-I במולקולת tRNA. בשמרים האזור הראשון הוא נוקלאוטיד האנטיקודון הראשון I34. והאזור השני הוא הנוקלאוטיד שאחרי האנטיקודון A37. הקטליזה של שני האזורים מתבצעת על ידי שני אנזימים שונים. ADAT1 אחראי על האזור של 37, ו- ADAT2/ADAT3 על האזור של 34. בפרוקריוטים המקרים שמתרחשת בהם ההחלפה מ-A ל-I במולקולת tRNA לא נפוצים. יש מקרה אחד שמתרחשת בו ההחלפה באזור נוקלאוטיד האנטיקודון 34,וזה מתרחש באאובקטריה (eubacteria). מחקר שנעשה על חיידק E. coli זיהה את האנזים TadA שהוא adenosine deaminase ספציפי ל- tRNA. יש גם כמה מקרים בארכאה בהם מתרחשת החלפת נוקלאוטיד ב- tRNA: טרם ההחלפה נראיית מתילציה בעמדה 57A באמצע ה-T-loop ורק אז מתרחשת הדה-אמינציה. החלפה מ- C ל-U: העריכה מ-C ל-U (איור 2) מתרחשת על ידי האנזים ציטידין דמינאז (cytidine deaminase). הסוג הזה של ההחלפה נפוץ יותר במיטוכונדריה של צמחים וההחלפה מסוג הזה שמתרחשת ב- tRNAs באברונים של אאוקריוטים נוספים. ידוע רק על מקרה אחד שבו ההחלפה הזאת לא מתרחשת - tRNA באברונים שבציטופלזמה של Trypanosoma brucei. סוג זה של עריכת RNA, אשר מחליף ציטידינים לאורידינים, התפתח בצמחי קרקע, וככל הנראה אבד בכמה צמחים מסוג "liverworts marchantiid". המספר של הנוקלאוטידים משתנה בין שושלות הצמחים, לדוגמה: רק 8 אירועים מתרחשים במיטוכונדריה של הטחב Funaria hygrometrica ו-11 ב- Physcomitrella patens. בחולייתנים, סוג עריכה זה זוהה לראשונה ב-mRNA המקודד apolipoprotein B (apoB) שבו קודון גלוטמין (CAA) משתנה לקודון עצירה (UAA). העריכה זאת של ה-RNA מתרחשת בעזרת חלבוני PPR שמעורבים במיקוד העריכה לנוקלאוטידים ספציפיים. החלפות אחרות: החלפות האחרות כגון U ל-C, G ל-A או החלפות אחרות הם אירועים נדירים. המנגנונים המולקולריים והאנזימים המעורבים בשינויים מסוג זה עדיין לא זוהו. בצמחים עריכת ה-RNA זוהתה במיטוכונדריה ובכלורופלסט כאשר יש החלפה מ-C ל-U בנוסף להחלפה פחות נפוצה מ-U ל-C. עריכת RNA בצמחים זוהתה לראשונה במיטוכונדריה של צמחים פורחים בשנת 1989 על ידי השוואה בין רצפי DNA ו-RNA. מאוחר יותר, זוהו השינויים הללו גם בכל הצמחים היבשתיים. מחקרים מראים, שעריכת ה-RNA היא חיונית לתפקוד תקין של פעילות התרגום והנשימה של הצמח. מספר סוגים של עריכת RNA תוארו בבני אדם, כאשר הנפוץ ביותר הוא החלפה מ-Adenine ל-Inosine (A to I); נפוצה פחות היא ההחלפה מ-Cytosine ל-Uridine. תוארו עוד החלפות נדירות יותר שזוהו ברקמות כמו, G ל-A, U ל-A ועוד, אם כי המנגנון העומד בבסיסן אינו ידוע. כאמור למעלה, ההחלפה מ-A ל-I מתבצעת באמצעות האנזים ADAR (מתוך שלושתה גנים המקודדים ל- ADAR (ADAR1, ADAR2 ו-ADAR3); שהשניים הראשונים (ADAR1,ADAR2) אשר פעילים כדהאמינאזות מתבטאות בכל הרקמות ויש להם איזופורמים שונים, השלישי (ADAR3) שכאמור עדיין לא הוכח כאנזים deaminase קטליטי פעיל, מתבטא באדם ברמה נמוכה במוח. נתגלה ש-ADAR1 ו- ADAR2 אינם מצויים רק בחולייתנים, אלא גם יש להם גנים אורטולוגיים (אותו גן ביצורים שונים) בחסרי חוליות, מה שמצביע ששניהם הופיעו מוקדם במהלך האבולוציה של יצורים רבי תאים (מטזואה). לעומתם דמיון ברצף החלבונים של-50% בין ADAR3 ל-ADAR2 מרמז, כי ככל הנראה ADAR3 התפתח מאוחר יותר כתוצאה מדופליקאציה (הכפלה) של ADAR2 בחולייתנים. מרבית אירועי עריכת ה-RNA בחולייתנים הם החלפה מ-A ל-I במיוחד באלמנטים חוזרים בגנום כגון ALU. כמו באדם, אירועי עריכה הגורמים להחלפה של C ל-U מתרחשים באמצעות apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypepti (APOBEC). מחקרים שנעשו בדרוזופילה ובסילוניות (דיונונים, תמנונים) מראים שחלק ניכר מאירועי העריכה הידועים מתרחשים באזורים המקודדים לחלבונים בעלי תפקיד חשוב בחיי האורגניזם. נתונים ממספר קטן של מינים מצביעים על כך שבניגוד ליונקים, בהם עריכת mRNA הגורמת לשינוי בקידוד ה-RNA (recoding) נדירה יחסית, בדרוזופילה אותרו כ־1300 אתרי recoding, וחלק מהאתרים האלה שינו את תפקוד החלבון, במיוחד בתאים המשתייכים למערכת העצבים. מספר יוצא דופן של אתרי עריכת RNA נתגלה במח התמנון: נראה, כי עריכה מ-A ל-I משחקת תפקיד בהתמודדות התמנון עם שינויי טמפרטורה קיצוניים: כ-33% מהאתרים מושפעים מהשינוי בטמפרטורה, ויותר מ-20,000 אתרים ברחבי הגנום עברו עריכת RNA מוגברת יותר בקור. ידוע שווירוסים מסתמכים על מארחים לצורך שכפולם. ונראה, שלפחות חלק מהמנגנונים המעורבים ביכולת הווירוס לנצל את המארח לצורך שכפול נעזרים בעריכת RNA. הגילוי הראשון של עריכת RNA בתיווך מארח דווח בשנת 1992: עריכה זו מווסתת את האריזה של וירוס הפטיטיס D ומעכבת את שכפולו. ניתן לסווג את האינטראקציה בין אנזימי עריכת RNA לבין ה-RNA הויראלי לשתי קטגוריות: deamination-dependent (ויסות ציס) ו- deamination-independent (ויסות טרנס). עריכת RNA בתיווך המארח יכולה להשפיע משמעותית על מחזור החיים הוויראלי, הסתגלות המארח לקיומו של הווירוס בסביבות שונות ועוד. עריכת RNA בתיווך מארח יכולה להוביל להשפעה פרו-ויראלית (proviral) או אנטי-ויראלית (antiviral) על וירוסים: השפעה פרו-ויראלית מסייעה לנגיפים להתחמק מתגובה של המערכת החיסונית של המארח באמצעות קידום שכפול וירוסים וסינתזת חלבונים. דוגמה לווירוס פרו-ויראלי זה ווירוס VSV כאשר ADAR1 מעלה את הרגישות של המארח לווירוס. השפעה אנטי-ויראלית פועלת כנגד מגוון רחב של וירוסים באמצעות עיכוב של שכפול וירוסים או תיעתוק הפוך (reverse transcription). דוגמה לווירוס אנטי-ויראלי זה ווירוס LCMV כאשר ADAR1 מחליף את נוקלאוטיד A ל-I. בחיידקים היה ידוע רק על מקרה אחד של עריכת RNA שמתרחשת במולקולת tRNA שבה יש שינוי מ-A ל-I והשינוי הזה תווך על ידי האנזים TadA. לאחרונה, התגלה שעריכת RNA גם מתרחשת ב- mRNA של החיידקים. התגלו 15 מקרים שבהם A משתנה ל-I כאשר 12 מהם מתרחשים באזורים מקודדים לחלבונים. כמו שתואר למעלה, עריכת RNA משפיעה על כל סוגי RNA, כאשר רב אירועי העריכה מתרחשים ב tRNA וב- rRNA. עריכת mRNA משנה את הרצף של mRNA מה שמוביל ליצירת חלבונים ערוכים. עריכת tRNA יוצרת אלמנטים מבניים חיוניים במבנה ראשוני, שניוני ושלישוני, הכוללות נוקלאוטידים של לולאה וגבעולים שמצומדים לבסיס. והשינויים בעריכת rRNA מרוכזים בעיקר באזורים פונקציונליים של הריבוזום, כגון מרכז פפטידיל טרנספראז (peptidyl transferase center). השינויים ככל הנראה משחקים תפקיד בכוונון של המבנה של הריבוזום ומשחקים תפקיד בעיבוד של rRNA. מדיה וקבצים בנושא עריכת RNA בוויקישיתוף Jonatha M. Gott, Ronald B. Emeson, FUNCTIONS AND MECHANISMS OF RNA EDITING, Annual Review of Genetics 34, 2000-12, עמ' 499–531 doi: 10.1146/annurev.genet.34.1.499 Brenda L. Bass, RNA Editing by Adenosine Deaminases That Act on RNA, Annual Review of Biochemistry 71, 2002-06, עמ' 817–846 doi: 10.1146/annurev.biochem.71.110601.135501 Anmol Kiran, Pavel V. Baranov, DARNED: a DAtabase of RNa EDiting in humans, Bioinformatics 26, 2010-07-15, עמ' 1772–1776 doi: 10.1093/bioinformatics/btq285 Anne-Laure Chateigner-Boutin, Ian Small, Organellar RNA editing: Organellar RNA editing, Wiley Interdisciplinary Reviews: RNA 2, 2011-07, עמ' 493–506 doi: 10.1002/wrna.72 Dan Bar-Yaacov, Ernest Mordret, Ruth Towers, Tammy Biniashvili, Clara Soyris, Schraga Schwartz, Orna Dahan, Yitzhak Pilpel, RNA editing in bacteria recodes multiple proteins and regulates an evolutionarily conserved toxin-antitoxin system, Genome Research 27, 2017-10, עמ' 1696–1703 doi: 10.1101/gr.222760.117 Axel Brennicke, Anita Marchfelder, Stefan Binder, RNA editing, FEMS Microbiology Reviews 23, 1999-06, עמ' 297–316 doi: 10.1111/j.1574-6976.1999.tb00401.x K Yoshinaga, Extensive RNA editing of U to C in addition to C to U substitution in the rbcL transcripts of hornwort chloroplasts and the origin of RNA editing in green plants, Nucleic Acids Research 24, 1996-03-15, עמ' 1008–1014 doi: 10.1093/nar/24.6.1008 Michael W. Gray, Evolutionary Origin of RNA Editing, Biochemistry 51, 2012-07-03, עמ' 5235–5242 doi: 10.1021/bi300419r J. Alfonzo, The mechanism of U insertion/deletion RNA editing in kinetoplastid mitochondria, Nucleic Acids Research 25, 1997-10-01, עמ' 3751–3759 doi: 10.1093/nar/25.19.3751 Stephen Hajduk, Torsten Ochsenreiter, RNA editing in kinetoplastids, RNA Biology 7, 2010-03, עמ' 229–236 doi: 10.4161/rna.7.2.11393 Sanaz Farajollahi, Stefan Maas, Molecular diversity through RNA editing: a balancing act, Trends in Genetics 26, 2010-05, עמ' 221–230 doi: 10.1016/j.tig.2010.02.001 Cyril X. George, Zhenji Gan, Yong Liu, Charles E. Samuel, Adenosine Deaminases Acting on RNA, RNA Editing, and Interferon Action, Journal of Interferon & Cytokine Research 31, 2011-01, עמ' 99–117 doi: 10.1089/jir.2010.0097 A. A. H. Su, L. Randau, A-to-I and C-to-U editing within transfer RNAs, Biochemistry (Moscow) 76, 2011-08, עמ' 932–937 doi: 10.1134/S0006297911080098 Mizuki Takenaka, Daniil Verbitskiy, Anja Zehrmann, Barbara Härtel, Eszter Bayer-Császár, Franziska Glass, Axel Brennicke, RNA editing in plant mitochondria —Connecting RNA target sequences and acting proteins, Mitochondrion 19, 2014-11, עמ' 191–197 doi: 10.1016/j.mito.2014.04.005 Patrick S. Covello, Michael W. Gray, RNA editing in plant mitochondria, Nature 341, 1989-10-19, עמ' 662–666 doi: 10.1038/341662a0 David H. Price, Michael W. Gray, Editing of tRNA, Washington, DC, USA: ASM Press, 2014-04-30, עמ' 289–305, ISBN 978-1-68367-268-5. (באנגלית) Mizuki Takenaka, Anja Zehrmann, Daniil Verbitskiy, Barbara Härtel, Axel Brennicke, RNA Editing in Plants and Its Evolution, Annual Review of Genetics 47, 2013-11-23, עמ' 335–352 doi: 10.1146/annurev-genet-111212-133519 Matthew Blow, P. Andrew Futreal, Richard Wooster, Michael R. Stratton, A survey of RNA editing in human brain, Genome Research 14, 2004-12, עמ' 2379–2387 doi: 10.1101/gr.2951204 Lily Agranat, Oleg Raitskin, Joseph Sperling, Ruth Sperling, The editing enzyme ADAR1 and the mRNA surveillance protein hUpf1 interact in the cell nucleus, Proceedings of the National Academy of Sciences 105, 2008-04, עמ' 5028–5033 doi: 10.1073/pnas.0710576105 Kazuko Nishikura, Functions and Regulation of RNA Editing by ADAR Deaminases, Annual Review of Biochemistry 79, 2010-06-07, עמ' 321–349 doi: 10.1146/annurev-biochem-060208-105251 Boris Zinshteyn, Kazuko Nishikura, Adenosine‐to‐inosine RNA editing, WIREs Systems Biology and Medicine 1, 2009-09, עמ' 202–209 doi: 10.1002/wsbm.10 Eli Eisenberg, Erez Y. Levanon, A-to-I RNA editing — immune protector and transcriptome diversifier, Nature Reviews Genetics 19, 2018-08, עמ' 473–490 doi: 10.1038/s41576-018-0006-1 Rui Zhang, Patricia Deng, Dionna Jacobson, Jin Billy Li, Evolutionary analysis reveals regulatory and functional landscape of coding and non-coding RNA editing, PLOS Genetics 13, 2017-02-06, עמ' e1006563 doi: 10.1371/journal.pgen.1006563 Matthew A. Birk, Noa Liscovitch-Brauer, Matthew J. Dominguez, Sean McNeme, Yang Yue, J. Damon Hoff, Itamar Twersky, Kristen J. Verhey, R. Bryan Sutton, Eli Eisenberg, Joshua J.C. Rosenthal, Temperature-dependent RNA editing in octopus extensively recodes the neural proteome, Cell 186, 2023-06, עמ' 2544–2555.e13 doi: 10.1016/j.cell.2023.05.004 Tongtong Zhu, Guangyi Niu, Yuansheng Zhang, Ming Chen, Chuan-Yun Li, Lili Hao, Zhang Zhang, Host-mediated RNA editing in viruses, Biology Direct 18, 2023-03-28 doi: 10.1186/s13062-023-00366-w Dan Bar-Yaacov, Yitzhak Pilpel, Orna Dahan, RNA editing in bacteria: occurrence, regulation and significance, RNA Biology 15, 2018-07-03, עמ' 863–867 doi: 10.1080/15476286.2018.1481698 Phillip J. McCown, Agnieszka Ruszkowska, Charlotte N. Kunkler, Kurtis Breger, Jacob P. Hulewicz, Matthew C. Wang, Noah A. Springer, Jessica A. Brown, Naturally occurring modified ribonucleosides, WIREs RNA 11, 2020-09 doi: 10.1002/wrna.1595 R. Jordan Ontiveros, Julian Stoute, Kathy Fange Liu, The chemical diversity of RNA modifications, Biochemical Journal 476, 2019-04-30, עמ' 1227–1245 doi: 10.1042/BCJ20180445 Christian Lorenz, Christina Lünse, Mario Mörl, tRNA Modifications: Impact on Structure and Thermal Adaptation, Biomolecules 7, 2017-04-04, עמ' 35 doi: 10.3390/biom7020035