植物线粒体和叶绿体RNA编辑的比较

万平

（首都师范大学生命科学学院，北京 100048）

RNA编辑指通过替换、插入、缺失机制在RNA分子水平改变遗传信息的生物学过程［1-3］。1986年，在锥体虫的线粒体中首先发现RNA编辑现象［4］。1989年，在植物的线粒体中发现RNA编辑现象［5-7］。1991年，在植物的叶绿体中发现RNA编辑现象［8］。到目前为止，在真核生物、细菌、病毒中都已发现RNA编辑，但在古细菌中还没有发现［9］。

植物中RNA编辑主要发生在进行光合作用的叶绿体和进行呼吸作用的线粒体这两种细胞器中［10］，植物RNA编辑类型主要有3种：C-to-U、U-to-C和A-to-I。C-to-U编辑发生在除苔类植物地钱之外的所有陆生植物中，U-to-C编辑只发生在从角苔到蕨类的少数非开花陆生植物中［11］。A-to-I编辑只在种子植物叶绿体 tRNA 中被观察到［12，13］。

植物线粒体和叶绿体RNA编辑数目存在很大差别。被子植物叶绿体中RNA编辑位点数目远低于线粒体RNA编辑位点数目［14］。尽管距发现植物RNA编辑现象已过去了20多年，但人们对于叶绿体和植物线粒体中RNA编辑的机理仍知之甚少［15，16］。

Thompson 等［17，18］采用（1）氨基酸转移概率、（2）密码子转移概率、（3）编辑位点在密码子中的位置、（4）编辑位点-1位置碱基出现频率、（5）编辑位点+1位置碱基出现频率5个特征预测植物线粒体C-to-U编辑，取得很好预测效果。本研究采用这5个特征，对非维管植物和维管植物线粒体和叶绿体RNA编辑进行比较研究，旨在为该方面研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据

非管植物和维管植物RNA编辑位点信息及基因组DNA序列下载自NCBI GenBank数据库（表1）。

1.2 植物线粒体和叶绿体RNA编辑特征分析

采用Perl脚本，对4 892个线粒体RNA编辑位点和1 228个叶绿体RNA编辑位点进行以下5个方面的分析：

表1 本研究所用数据集

（1）氨基酸转移概率。计算公式如下：

其中，ai代表RNA编辑前编辑位点所在密码子编码的氨基酸；aj代表RNA编辑后编辑位点所在密码子编码的氨基酸；faiaj代表由编辑前密码子编码的氨基酸ai转移为编辑后密码子编码的氨基酸aj出现的频数。氨基酸共有20种。

（2）密码子转移概率。计算公式如下：

其中，codoni代表RNA编辑前编辑位点所在密码子；codonj代表RNA编辑后编辑位点所在密码子；fcodonicodonj代表由编辑前密码子codoni转移为编辑后密码子codonj出现的频数。密码子共有64种。

（3）编辑位点在密码子中出现位置概率。编辑位点在密码子中可能出现的位置分别为1、2、3，统计编辑位点出现在密码子中每个位置上的概率。

（4）编辑位点-1位碱基组成。统计编辑位点上游-1位置出现A、U、C、G四种碱基的概率。

（5）编辑位点+1位碱基组成。统计编辑位点下游+1位置出现A、U、C、G四种碱基的概率。

1.3 统计显著性检验

样本概率分布差异检验采用R语言工具包（http：//www.r-project.org/）中Mann-Whitney检验方法。

2 结果

2.1 氨基酸转移概率

RNA编辑前后，编辑位点所在密码子编码的氨基酸种类通常会发生转变，被称为氨基酸转移。在RNA编辑中，不同氨基酸发生转移的概率不同。结果显示，非维管植物（角苔）中脯氨酸到亮氨酸（P>L）、丝氨酸到苯丙氨酸（S>F）的转移概率较高（图1-A）。而维管植物中脯氨酸到亮氨酸（P>L）和丝氨酸到亮氨酸（S>L）氨基酸转移概率较高（图1-B和 1-C）。

图1 植物线粒体和叶绿体RNA编辑的氨基酸转移概率

Mann-Whitney检验结果表明，在非维管植物和蕨类植物中，线粒体和叶绿体RNA编辑在氨基酸转移概率都没有显著差别（p值分别为0.816 6和0.099 98），而被子植物线粒体和叶绿体在氨基酸转移概率方面存在显著差异（p值为0.042 94）。

2.2 密码子转移概率

RNA编辑前后，编辑位点所在密码子的种类也有可能发生转变，这种转变被称为密码子转移。在RNA编辑中，不同密码子发生转移的概率不同。非维管植物（角苔）中密码子UCA>UUA和UCU>UUU的转移概率较高（图2-A）。蕨类植物的线粒体RNA编辑中，密码子CGG>UGG和UCC>UUC的转移概率较高；而蕨类植物叶绿体RNA编辑中，密码子ACG>AUG和UCA>UUA中的转移概率较高（图2-B）。被子植物中，密码子UCA>UUA的转移概率都很高（图2-C），但线粒体密码子转移的种类（57种）远多于叶绿体密码子转移的种类（10种），并且也多于非维管植物（角苔）（43种）和蕨类植物（35种）中线粒体密码子转移的种类。

Mann-Whitney检验结果表明，在非维管植物和蕨类植物中，线粒体和叶绿体RNA编辑在密码子转移概率方面都没有显著差别（p值分别为0.221 2和0.181 4），而被子植物线粒体和叶绿体在密码子转移概率方面存在显著差异（p值为5.989 e-9）。

2.3 编辑位点在密码子中的出现位置

编辑位点在密码子中的3个位置都有可能出现，但在非维管植物和维管植物线粒体和叶绿体RNA编辑中，编辑位点在密码子第2位出现的概率都很高（图3）。Mann-Whitney检验结果表明，植物线粒体和叶绿体RNA编辑位点在密码子中出现位置不存在显著差异。

图2 植物线粒体和叶绿体RNA编辑的密码子转移概率

图3 植物线粒体和叶绿体RNA编辑编辑位点在密码子中的位置

2. 4 编辑位点-1位碱基出现概率

植物线粒体和叶绿体RNA编辑中，4种碱基在编辑位点-1位都有可能出现，但尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C）出现在编辑位点-1位的概率较高（图4）。Mann-Whitney检验结果表明，植物线粒体和叶绿体RNA编辑在编辑位点-1位碱基出现概率方面不存在显著差异。

2. 5 编辑位点+1位置碱基出现概率

植物线粒体和叶绿体RNA编辑中，4种碱基在编辑位点+1位都有可能出现（图5）。非维管植物中U和C出现概率较高（图5-A）；蕨类植物中C和G出现概率较高（图5-B）；被子植物中A和G出现概率较高（图5-C）。Mann-Whitney检验结果表明，非维管植物和维管植物植物线粒体和叶绿体RNA编辑在编辑位点+1位碱基出现概率方面都不存在显著差异。

图4 植物线粒体和叶绿体RNA编辑编辑位点-1位碱基出现概率

图5 植物线粒体和叶绿体RNA编辑编辑位点+1位碱基出现概率

3 讨论

植物线粒体RNA编辑位点的数目大约是叶绿体RNA编辑位点数目的10倍，但目前人们还不知道为什么植物线粒体RNA编辑位点数目远多于叶绿体RNA 编辑位点数目［19］。

已发现在植物线粒体中存在两套tRNA：第一套由线粒体基因组编码，第二套由核基因组编码，经细胞质输入到线粒体［20］。而在叶绿体中，所有tRNA 都是由叶绿体基因组编码［21，22］。然而，在已测序的叶绿体tRNA或tRNA基因中，与密码子CUU/C（Leu），CCU/C（Pro），GCU/C（Ala）和 CGC/A/G（Arg）互补的反密码子tRNA都没有被发现［12］。

本研究发现，被子植物线粒体和叶绿体RNA编辑在密码子转移概率方面存在显著差异，叶绿体RNA编辑中密码子转移的种类（10种）远少于线粒体中密码子转移的种类（57种）。产生这种现象的原因很可能是由于叶绿体中tRNA种类不全造成的，而被子植物线粒体和叶绿体RNA编辑在氨基酸转移概率方面的显著差异可能也是由于叶绿体中tRNA种类不全间接导致的。

另外，已发现有两个蛋白家族：PPR和MORF参与RNA编辑［23］，蛋白家族中不同成员分别参与叶绿体和线粒体RNA编辑过程。参与叶绿体和线粒体RNA编辑过程的PPR蛋白的种类和数目可能也是导致叶绿体和线粒体RNA编辑在氨基酸转移概率和密码子转移概率方面存在显著差异原因。

植物RNA编辑机理仍是一个未解之谜，叶绿体中tRNA的种类为何不完整，以及除PPR和MORF家族外是否还有其他蛋白家族参与植物RNA编辑，这些问题需要进一步深入的研究。

4 结论

被子植物线粒体和叶绿体RNA编辑在氨基酸转移概率、密码子转移概率方面存在显著差异。

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