科技前沿

陈玲玲团队发表环状RNA的表征、细胞作用和应用的综述

日期:2022-05-18  浏览次数:207

来源:iNature

大多数环状 RNA 是由前体 mRNA 的外显子反向剪接产生的。最近的技术进步部分克服了它们的环状构象和序列与线性同源 mRNA 重叠的问题,从而可以更好地了解它们的细胞作用。根据它们的定位和与 DNA、RNA 和蛋白质的特定相互作用,环状 RNA 可以调节转录和剪接,调节细胞质 mRNA 的稳定性和翻译,干扰信号通路,并在不同的生物学和病理生理学环境中作为翻译的模板。 环状RNA在干扰细胞过程、调节免疫反应和直接翻译成蛋白质方面的新兴应用为生物医学研究提供了新的思路。 

2022年5月17日,中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所陈玲玲团队Cell 在线发表题为Circular RNAs: Characterization, cellular roles, and applications的综述文章,该综述讨论了环状 RNA 研究中使用的方法以及目前对其调控作用和潜在应用的理解。

与大多数以 5' N7-甲基鸟苷 (m7G) 帽和 3' 多聚腺苷酸尾端终止的线性信使 RNA (mRNA) 和长链非编码 RNA (lncRNA) 不同,环状 RNA 是最近重新出现的共价闭合单链 RNA (ssRNA)作为一类广泛存在的 RNA 。ssRNA 可以是环状形式的事实首先在植物类病毒中被鉴定出来,随后通过电子显微镜证据发现了真核环状转录物,显示出没有已知功能的环状形态。在 1980 年代,其他一些病毒,例如 δ 型肝炎病毒,被发现含有环状 RNA 基因组。

在线粒体 RNA、核糖体 RNA 和转移 RNA 的内含子自剪接过程中鉴定出环状 RNA 中间体。在 1990 年代,一些研究表明外显子在共有剪接位点连接,但其基因组组织的顺序是混乱的,这可能是通过前 mRNA 剪接处理的。在过去的 10 年中,随着生化富集的非聚腺苷酸化和环状转录组的 RNA 测序 (RNA-seq) 技术的出现,以及用于环状 RNA 注释的计算流程,揭示了 circRNA 在各种后生动物细胞类型和组织中的广泛表达。

大多数带注释的环状 RNA (circRNA) 是由前 mRNA 反向剪接产生的,下游 5' 剪接位点(剪接供体)与上游 3' 剪接位点(剪接受体)连接,从而产生 RNA 分子在反向剪接连接点 (BSJ) 处具有 3'-5' 磷酸二酯键的圆形形式。此外,一部分内含子套索未能脱支,从而产生另一种与 2'-5' 磷酸二酯键连接的环状 RNA。circRNAs的生物发生已被广泛研究。



环状RNA的注释和功能剖析(图源自Cell 


简而言之,反向剪接利用剪接体机制,并受环状外显子侧翼内含子中的内含子互补序列 (ICS) 和与侧翼内含子序列结合的蛋白质因子的调节。大多数 ICS 是灵长类动物中的 Alu 元件,原则上可以在环化外显子之间形成瞬时对以促进反向剪接。在 ICS 上结合的 RNA 结合蛋白 (RBP) 可以增强或削弱内含子 ICS 对,从而导致 circRNA 表达增加或减弱。RBP 还可以直接桥接远端剪接位点以增强反向剪接。

反向剪接的效率远低于规范剪接,导致受检细胞和组织中 circRNA 的丰度普遍较低。大多数带注释的外显子环状RNA主要位于细胞质中,它们的输出至少部分受到果蝇细胞中的RNA解旋酶Hel25E或人类细胞中的DDX39B/39A(Hel25E的两个人类同源物)的调节。由于它们缺乏 5' m7G 帽或 3' poly(A) 尾,因此 circRNA 是如何划分的需要进一步研究。

大多数 circRNA 保持稳定,半衰期从 18.8 到 23.7 h(与之相比,它们的同源线性 RNA 为 4.0-7.4 h)。这可能是由于它们对线性 RNA 衰变机制的降解具有抵抗力。相应地,一些 circRNA 可以积累到高水平,独立于它们的同源线性 mRNA,通常在非分裂或缓慢分裂的组织和细胞中。另一方面,在伴随核酸内切酶 RNase L 激活的先天免疫反应过程中,细胞中的 circRNA 水平会降低,而癌细胞中的 circRNA 水平也会降低。总之,circRNA 的差异表达表明它们可能在不同的环境中具有调节作用。

由于在多个实验水平上难以区分 circRNA 和同源线性 RNA,它们的作用模式最近才开始受到重视。然而,环状构象赋予了这些转录本在生物医学应用的许多方面的巨大潜力。在这篇综述中,讨论了解决 circRNA 功能的方法、其细胞作用的进展以及在生物医学研究和治疗中开发基于环状 RNA 的模式的新兴主题。


参考消息:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00468-8