哺乳动物的先天性免疫系统对病毒感染有异常重要的作用。MDA5就是宿主细胞质中存在的双链RNA 感受器，用来抵抗来自病毒的双链RNA，进而产生抗病毒所需的干扰素（IFN，interferon）。然而宿主自身存在的大量双链RNA如何避免被MDA5识别，从而引起不必要的自免疫反应呢？宿主中大量表达的ADAR1蛋白就是这个问题的答案。ADAR1是RNA编辑蛋白，会结合双链RNA并把腺苷（adenosine）编辑成肌酐（inosine）（A-to-I RNA editing）【1】。正常情况下，ADAR1会编辑宿主自身的双链RNA，从而避免被MDA5识别。ADAR1 RNA编辑的核心功能，直至近年才由斯坦福大学的李进教授及合作者们揭示【2】。不具备ADAR1编辑能力的突变体小鼠无法存活超过胚胎期13.5天，并表现出由干扰素免疫应答导致的多器官炎症反应。如果把MDA5基因同时敲除，突变体小鼠几乎恢复得和野生型一样。这项研究阐释了ADAR1编辑的主要作用是标记内源的双链RNA为“自我”，从而避免引发由MDA5介导的干扰素免疫应答和炎症反应（图1）。

图1.ADAR1-dsRNA-MDA5通路

在人类中，ADAR1功能丧失突变（LOF mutation）或者MDA5功能获得突变（GOF mutation）会导致一些罕见的自身免疫性疾病，比如Aicardi-Goutières综合症（AGS）。类似于ADAR1突变体小鼠，AGS病人变现出剧烈的炎症反应，证明ADAR1-dsRNA-MDA5通路在人类和小鼠中的功能是高度保守的。然而，绝大部分人群的ADAR1和MDA5基因都是正常的，对于ADAR1-dsRNA-MDA5通路在常见疾病中可能扮演的角色一直缺乏系统的认知。

在这项最新研究中，首先，为了搞清楚常见的遗传变异(genetic variation)如何在人体内影响双链RNA的编辑水平，作者在人类组织转录组表达数据库GTEx中开展了顺式RNA编辑性状座位分析（cis-edQTL，cis RNA editing quantitative trait loci，图2）。在49个不同的人体组织中，作者共鉴定了超过3万个对RNA编辑水平有顺式调控作用的edQTL，其中近1/3具有组织特异性。作者发现遗传变异通过改变RNA二级结构，ADAR1结合位点，RNA编辑三联体基序等方式来影响附近的双链RNA的编辑水平。

图2. 顺式RNA编辑性状座位

接下来，作者通过与大量人类疾病全基因组关联分析研究（GWAS）数据的联合分析，发现edQTL高度富集于自身免疫性疾病GWAS，例如银屑病、炎性肠病、风湿性关节炎、多发性硬化症、系统性红斑狼疮和I型糖尿病等（图3）。一些非自身免疫，但是和免疫功能有紧密关联的疾病（例如冠心病、肌萎缩侧索硬化症和帕金森综合症）也出现了edQTL的显著富集。有趣的是，edQTL的富集水平在不同的疾病的器官和组织间存在明显差异，尤其以免疫组织和疾病关联组织为最高。

图3.edQTL在炎症性疾病GWAS中的富集

edQTL在GWAS中的高度富集为RNA编辑在炎症性疾病中扮演的关键角色提供了有力的遗传学证据。但是，人体里有数万个可被ADAR1编辑的双链RNA，究竟哪些才是激活MDA5介导的免疫反应的关键底物？哪些又和疾病的发生有密切关联？针对这个问题，作者对17类炎症性疾病和edQTL展开了共定位（colocalization）分析，精确地鉴定了194个与炎症性疾病有高度因果效应的双链RNA，命名为免疫原性双链RNA（immunogenic dsRNA）。

图4. 顺式天然反义转录本双链RNA

人类转录组包含数以百万计的RNA编辑位点，其中95%以上位于反向重复序列（inverted repeats），特别是灵长类独有的Alu重复序列。作者惊讶的发现，27-59%的免疫原性双链RNA与反向重复序列无关，而是源于顺式天然反义转录本（cis-NATs，cis natural antisense transcripts，图4）。在之前的研究中，这种由cis-NATs形成的双链RNA因为非常罕见，并未引起人们的重视。cis-NATs可以在同一基因位点进行反义转录和正义转录，从而形成完美碱基配对的分子间（intermolecular）双链RNA。由于和某些病毒在细胞内转录复制形成的双链RNA具有高度的结构相似性，cis-NATs双链RNA很有可能是MDA5的理想底物。作者通过实验验证发现，cis-NATs双链RNA需要经过ADAR1的超编辑（hyper editing）来抑制免疫原性，否则未编辑的双链RNA将被MDA5识别并引发细胞水平的干扰素免疫应答（图5）。

图5. 顺式天然反义转录本双链RNA具有高度免疫原性

遗传变异是如何通过改变免疫原性双链RNA的编辑水平来影响炎症性疾病的风险呢？小鼠和人类的遗传学证据指出，当双链RNA的编辑水平不足时会激发MDA5介导的干扰素免疫应答（图1）。据此，作者提出了如下假设：炎症性疾病的GWAS遗传变异对免疫原性双链RNA编辑的效应并不是随机的，而应具有明显的方向性。具体来说，遗传变异的两组等位基因中，保护等位基因（protective alleles）维持甚至升高目标免疫原性双链RNA的编辑水平，而风险等位基因（risk alleles）则相对的降低编辑水平。如此一来，富集了炎症性疾病GWAS遗传变异的个体体内将积累过多的、编辑不足的免疫原性双链RNA，进而激活MDA5并引发干扰素免疫应答，提高患病风险（图6）。

图6. 遗传变异通过改变免疫原性双链RNA编辑水平引发免疫反应的模式图

为了验证这一假设，作者在全基因组水平无差异的分析了24种疾病的GWAS遗传变异对不同人体组织的免疫原性双链RNA编辑水平的影响。在多个自身免疫性疾病/炎症性疾病中，作者发现了压倒性的方向性效应，既风险等位基因和免疫原性双链RNA编辑水平降低显著相关，且在疾病相关组织中表现得尤为明显。作为对照，这一方向性效应在和免疫无关的疾病/性状中并不显著。

为了进一步在疾病组织中寻找证据，作者对数百个采集自风湿性关节炎、多发性硬化症、系统性红斑狼疮以及冠心病患者的样本进行了等位基因特异性RNA编辑（ASED，allele-specific editing）分析。作者发现在病人样品中，风险等位基因的特异性RNA编辑水平相较于保护等位基因有着显著降低。更重要的是，RNA编辑水平降低和干扰素免疫应答水平升高呈现显著的正相关关系（图7）。这些发现和ADAR1-dsRNA-MDA5通路的分子机理完全吻合。

图7. 等位基因在疾病组织中的对RNA编辑水平的方向性效应

综上所述，本文作者基于完善的ADAR1-dsRNA-MDA5免疫通路，通过人类遗传学研究方法，发现了由遗传变异导致的双链RNA编辑水平下降是引发自身免疫病/炎症性疾病的一个重要机制（图8）。这些常见遗传变异在自身免疫病/炎症性疾病病人体内会同时降低至少数百个免疫原性双链RNA的编辑水平，从而激发了由MDA5介导的干扰素免疫应答，最终引起慢性炎症反应。这一发现为自身免疫病/炎症性疾病的筛查、诊断和治疗提供了新的思路，提示在疾病相关组织和细胞中抑制MDA5的异常激活是一个极具潜力的新靶点。

图8. RNA编辑水平降低是引发炎症性疾病遗传风险的关键机制之一

这项工作由斯坦福大学李进教授实验室的李钦博士主导，得到了斯坦福大学Stephen Montgomery教授实验室和Jonathan Pritchard教授实验室，复旦大学麻锦彪教授实验室以及其他合作者的大力支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05052-x

参考文献