植物線粒體和葉綠體RNA編輯的比較

萬(wàn)平

（首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048）

RNA編輯指通過替換、插入、缺失機(jī)制在RNA分子水平改變遺傳信息的生物學(xué)過程［1-3］。1986年，在錐體蟲的線粒體中首先發(fā)現(xiàn)RNA編輯現(xiàn)象［4］。1989年，在植物的線粒體中發(fā)現(xiàn)RNA編輯現(xiàn)象［5-7］。1991年，在植物的葉綠體中發(fā)現(xiàn)RNA編輯現(xiàn)象［8］。到目前為止，在真核生物、細(xì)菌、病毒中都已發(fā)現(xiàn)RNA編輯，但在古細(xì)菌中還沒有發(fā)現(xiàn)［9］。

植物中RNA編輯主要發(fā)生在進(jìn)行光合作用的葉綠體和進(jìn)行呼吸作用的線粒體這兩種細(xì)胞器中［10］，植物RNA編輯類型主要有3種：C-to-U、U-to-C和A-to-I。C-to-U編輯發(fā)生在除苔類植物地錢之外的所有陸生植物中，U-to-C編輯只發(fā)生在從角苔到蕨類的少數(shù)非開花陸生植物中［11］。A-to-I編輯只在種子植物葉綠體 tRNA 中被觀察到［12，13］。

植物線粒體和葉綠體RNA編輯數(shù)目存在很大差別。被子植物葉綠體中RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)低于線粒體RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目［14］。盡管距發(fā)現(xiàn)植物RNA編輯現(xiàn)象已過去了20多年，但人們對(duì)于葉綠體和植物線粒體中RNA編輯的機(jī)理仍知之甚少［15，16］。

Thompson 等［17，18］采用（1）氨基酸轉(zhuǎn)移概率、（2）密碼子轉(zhuǎn)移概率、（3）編輯位點(diǎn)在密碼子中的位置、（4）編輯位點(diǎn)-1位置堿基出現(xiàn)頻率、（5）編輯位點(diǎn)+1位置堿基出現(xiàn)頻率5個(gè)特征預(yù)測(cè)植物線粒體C-to-U編輯，取得很好預(yù)測(cè)效果。本研究采用這5個(gè)特征，對(duì)非維管植物和維管植物線粒體和葉綠體RNA編輯進(jìn)行比較研究，旨在為該方面研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)

非管植物和維管植物RNA編輯位點(diǎn)信息及基因組DNA序列下載自NCBI GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)（表1）。

1.2 植物線粒體和葉綠體RNA編輯特征分析

采用Perl腳本，對(duì)4 892個(gè)線粒體RNA編輯位點(diǎn)和1 228個(gè)葉綠體RNA編輯位點(diǎn)進(jìn)行以下5個(gè)方面的分析：

表1 本研究所用數(shù)據(jù)集

（1）氨基酸轉(zhuǎn)移概率。計(jì)算公式如下：

其中，ai代表RNA編輯前編輯位點(diǎn)所在密碼子編碼的氨基酸；aj代表RNA編輯后編輯位點(diǎn)所在密碼子編碼的氨基酸；faiaj代表由編輯前密碼子編碼的氨基酸ai轉(zhuǎn)移為編輯后密碼子編碼的氨基酸aj出現(xiàn)的頻數(shù)。氨基酸共有20種。

（2）密碼子轉(zhuǎn)移概率。計(jì)算公式如下：

其中，codoni代表RNA編輯前編輯位點(diǎn)所在密碼子；codonj代表RNA編輯后編輯位點(diǎn)所在密碼子；fcodonicodonj代表由編輯前密碼子codoni轉(zhuǎn)移為編輯后密碼子codonj出現(xiàn)的頻數(shù)。密碼子共有64種。

（3）編輯位點(diǎn)在密碼子中出現(xiàn)位置概率。編輯位點(diǎn)在密碼子中可能出現(xiàn)的位置分別為1、2、3，統(tǒng)計(jì)編輯位點(diǎn)出現(xiàn)在密碼子中每個(gè)位置上的概率。

（4）編輯位點(diǎn)-1位堿基組成。統(tǒng)計(jì)編輯位點(diǎn)上游-1位置出現(xiàn)A、U、C、G四種堿基的概率。

（5）編輯位點(diǎn)+1位堿基組成。統(tǒng)計(jì)編輯位點(diǎn)下游+1位置出現(xiàn)A、U、C、G四種堿基的概率。

1.3 統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)

樣本概率分布差異檢驗(yàn)采用R語(yǔ)言工具包（http：//www.r-project.org/）中Mann-Whitney檢驗(yàn)方法。

2 結(jié)果

2.1 氨基酸轉(zhuǎn)移概率

RNA編輯前后，編輯位點(diǎn)所在密碼子編碼的氨基酸種類通常會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，被稱為氨基酸轉(zhuǎn)移。在RNA編輯中，不同氨基酸發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率不同。結(jié)果顯示，非維管植物（角苔）中脯氨酸到亮氨酸（P>L）、絲氨酸到苯丙氨酸（S>F）的轉(zhuǎn)移概率較高（圖1-A）。而維管植物中脯氨酸到亮氨酸（P>L）和絲氨酸到亮氨酸（S>L）氨基酸轉(zhuǎn)移概率較高（圖1-B和 1-C）。

圖1 植物線粒體和葉綠體RNA編輯的氨基酸轉(zhuǎn)移概率

Mann-Whitney檢驗(yàn)結(jié)果表明，在非維管植物和蕨類植物中，線粒體和葉綠體RNA編輯在氨基酸轉(zhuǎn)移概率都沒有顯著差別（p值分別為0.816 6和0.099 98），而被子植物線粒體和葉綠體在氨基酸轉(zhuǎn)移概率方面存在顯著差異（p值為0.042 94）。

2.2 密碼子轉(zhuǎn)移概率

RNA編輯前后，編輯位點(diǎn)所在密碼子的種類也有可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變被稱為密碼子轉(zhuǎn)移。在RNA編輯中，不同密碼子發(fā)生轉(zhuǎn)移的概率不同。非維管植物（角苔）中密碼子UCA>UUA和UCU>UUU的轉(zhuǎn)移概率較高（圖2-A）。蕨類植物的線粒體RNA編輯中，密碼子CGG>UGG和UCC>UUC的轉(zhuǎn)移概率較高；而蕨類植物葉綠體RNA編輯中，密碼子ACG>AUG和UCA>UUA中的轉(zhuǎn)移概率較高（圖2-B）。被子植物中，密碼子UCA>UUA的轉(zhuǎn)移概率都很高（圖2-C），但線粒體密碼子轉(zhuǎn)移的種類（57種）遠(yuǎn)多于葉綠體密碼子轉(zhuǎn)移的種類（10種），并且也多于非維管植物（角苔）（43種）和蕨類植物（35種）中線粒體密碼子轉(zhuǎn)移的種類。

Mann-Whitney檢驗(yàn)結(jié)果表明，在非維管植物和蕨類植物中，線粒體和葉綠體RNA編輯在密碼子轉(zhuǎn)移概率方面都沒有顯著差別（p值分別為0.221 2和0.181 4），而被子植物線粒體和葉綠體在密碼子轉(zhuǎn)移概率方面存在顯著差異（p值為5.989 e-9）。

2.3 編輯位點(diǎn)在密碼子中的出現(xiàn)位置

編輯位點(diǎn)在密碼子中的3個(gè)位置都有可能出現(xiàn)，但在非維管植物和維管植物線粒體和葉綠體RNA編輯中，編輯位點(diǎn)在密碼子第2位出現(xiàn)的概率都很高（圖3）。Mann-Whitney檢驗(yàn)結(jié)果表明，植物線粒體和葉綠體RNA編輯位點(diǎn)在密碼子中出現(xiàn)位置不存在顯著差異。

圖2 植物線粒體和葉綠體RNA編輯的密碼子轉(zhuǎn)移概率

圖3 植物線粒體和葉綠體RNA編輯編輯位點(diǎn)在密碼子中的位置

2. 4 編輯位點(diǎn)-1位堿基出現(xiàn)概率

植物線粒體和葉綠體RNA編輯中，4種堿基在編輯位點(diǎn)-1位都有可能出現(xiàn)，但尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C）出現(xiàn)在編輯位點(diǎn)-1位的概率較高（圖4）。Mann-Whitney檢驗(yàn)結(jié)果表明，植物線粒體和葉綠體RNA編輯在編輯位點(diǎn)-1位堿基出現(xiàn)概率方面不存在顯著差異。

2. 5 編輯位點(diǎn)+1位置堿基出現(xiàn)概率

植物線粒體和葉綠體RNA編輯中，4種堿基在編輯位點(diǎn)+1位都有可能出現(xiàn)（圖5）。非維管植物中U和C出現(xiàn)概率較高（圖5-A）；蕨類植物中C和G出現(xiàn)概率較高（圖5-B）；被子植物中A和G出現(xiàn)概率較高（圖5-C）。Mann-Whitney檢驗(yàn)結(jié)果表明，非維管植物和維管植物植物線粒體和葉綠體RNA編輯在編輯位點(diǎn)+1位堿基出現(xiàn)概率方面都不存在顯著差異。

圖4 植物線粒體和葉綠體RNA編輯編輯位點(diǎn)-1位堿基出現(xiàn)概率

圖5 植物線粒體和葉綠體RNA編輯編輯位點(diǎn)+1位堿基出現(xiàn)概率

3 討論

植物線粒體RNA編輯位點(diǎn)的數(shù)目大約是葉綠體RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目的10倍，但目前人們還不知道為什么植物線粒體RNA編輯位點(diǎn)數(shù)目遠(yuǎn)多于葉綠體RNA 編輯位點(diǎn)數(shù)目［19］。

已發(fā)現(xiàn)在植物線粒體中存在兩套tRNA：第一套由線粒體基因組編碼，第二套由核基因組編碼，經(jīng)細(xì)胞質(zhì)輸入到線粒體［20］。而在葉綠體中，所有tRNA 都是由葉綠體基因組編碼［21，22］。然而，在已測(cè)序的葉綠體tRNA或tRNA基因中，與密碼子CUU/C（Leu），CCU/C（Pro），GCU/C（Ala）和 CGC/A/G（Arg）互補(bǔ)的反密碼子tRNA都沒有被發(fā)現(xiàn)［12］。

本研究發(fā)現(xiàn)，被子植物線粒體和葉綠體RNA編輯在密碼子轉(zhuǎn)移概率方面存在顯著差異，葉綠體RNA編輯中密碼子轉(zhuǎn)移的種類（10種）遠(yuǎn)少于線粒體中密碼子轉(zhuǎn)移的種類（57種）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因很可能是由于葉綠體中tRNA種類不全造成的，而被子植物線粒體和葉綠體RNA編輯在氨基酸轉(zhuǎn)移概率方面的顯著差異可能也是由于葉綠體中tRNA種類不全間接導(dǎo)致的。

另外，已發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)蛋白家族：PPR和MORF參與RNA編輯［23］，蛋白家族中不同成員分別參與葉綠體和線粒體RNA編輯過程。參與葉綠體和線粒體RNA編輯過程的PPR蛋白的種類和數(shù)目可能也是導(dǎo)致葉綠體和線粒體RNA編輯在氨基酸轉(zhuǎn)移概率和密碼子轉(zhuǎn)移概率方面存在顯著差異原因。

植物RNA編輯機(jī)理仍是一個(gè)未解之謎，葉綠體中tRNA的種類為何不完整，以及除PPR和MORF家族外是否還有其他蛋白家族參與植物RNA編輯，這些問題需要進(jìn)一步深入的研究。

4 結(jié)論

被子植物線粒體和葉綠體RNA編輯在氨基酸轉(zhuǎn)移概率、密碼子轉(zhuǎn)移概率方面存在顯著差異。

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