環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

知識 07-22

近日，Cell子刊 Trends in Neurosciences 在線發表了男方科技大學陳煒教授與馬普學會Erin Schuman聯合撰寫的綜述文章，分析匯總了環狀RNA在大腦組織中表達狀態的研究進展。神經系統，尤其是中樞神經系統中環狀RNA研究比較多，從目前報道的結果來看似乎神經系統中環狀RNA的含量相對更豐富一些。本文作者正是針對這一特殊現象針對目前在神經系統中環狀RNA的主要進展進行分析匯總。

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環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

早在2014年，Rajewsky Nikolaus教授在Molecular Cell發表的文章中就用到神經組織特異性的環狀RNA分析了環狀RNA形成機制問題。在這篇文章中，Rajewsky Nikolaus教授發現了MBL介導的環狀RNA競爭性形成機制模型，直接證明了反式作用因子參與調控環狀RNA形成過程(Ashwal-Fluss et al., 2014)。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

2014年，Eric C. Lai教授在Cell Reports雜誌上發表文章，在果蠅大腦中分析了環狀RNA的結構及分布狀況，發現果蠅的大腦中環狀RNA更容易在長片段內含子附近形成，也更容易在年老的大腦組織中聚集(Westholm et al., 2014)。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

2015年，本文的作者之一，陳煒教授在Nature Neuroscience雜誌發表文章分析了神經系統環狀RNA的基本特徵，發現小鼠神經系統中環狀RNA含量更高，且突觸相關的基因更易形成環狀RNA。文中採用優化的高解析度熒光原位雜交技術分析了環狀RNA的分布情況，證明環狀RNA更易定位於神經元的樹突中(You et al., 2015)。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

2015年，Rajewsky Nikolaus教授在Molecular Cell發表文章分析了哺乳動物腦組織中環狀RNA的表達情況。發現哺乳動物大腦組織中大量存在環狀RNA分子，伴隨著大腦發育，環狀RNA的表達會增高，尤其是在突觸結構中(Rybak-Wolf et al., 2015)。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

這一系列重要的研究表明了環狀RNA與神經系統存在莫大的關係。問題來了，環狀RNA為什麼會更容易在神經系統中存在？環狀RNA在神經系統中有什麼特殊的作用？

神經系統中環狀RNA丰度更高，存在組織特異性表達譜特徵

針對不同組織深度測序數據的比較分析發現神經組織中更容易富集環狀RNA。神經組織中約20%的編碼蛋白的基因會有對應的環狀RNA存在。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

圖1 神經組織中更容易富集環狀RNA （來自(You et al., 2015)）

不同的神經組織區域中含量還有很大的差別，Rajewsky Nikolaus教授2015年的Molecular Cell文章中比較了紋狀體，前額皮質，嗅皮質，小腦和海馬組織中的環狀RNA的表達情況，結果表明不同神經組織中環狀RNA的表達譜差異非常明顯。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

圖2 不同神經組織中環狀RNA表達多樣化特徵明顯（來自(Rybak-Wolf et al., 2015)）

陳煒教授針對這些大腦中特異存在的環狀RNA進行Gene Ontology分析表明大部分環狀RNA所對應的蛋白編碼基因為突觸相關基因。高解析度熒光原位雜交實驗也證實環狀RNA不僅存在於神經元的胞體部位，也定位於神經元樹突部位。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

圖3 高解析度熒光原位雜交分析神經元中環狀RNA定位特徵（來自(You et al., 2015)）

為什麼神經系統中環狀RNA含量更高？

這可能要從環狀RNA形成的機制說起。相關研究表明環狀RNA更容易在較長的內含子周圍形成，而神經系統中系統中重要的基因所攜帶的內含子往往較長，這為環狀RNA的形成提供了更大的可能。此外，神經特異性的RNA結合蛋白很可能在環狀RNA形成過程中起到重要作用，但目前已知的三種與環狀RNA形成有關的RNA結合蛋白（MBL, QKI及ADAR1）似乎並不符合這一推測。但不排除有其他未發現的RNA結合蛋白促進了神經系統中環狀RNA的形成和富集。總之，關於神經系統中環狀RNA丰度更高的機制還沒有研究清楚。

環狀RNA在神經系統中發揮了什麼作用？

陳煒教授在體外分化模型中分析了環狀RNA隨分化進程的變化情況，結果表明在突觸形成的階段會出現環狀RNA爆髮式升高的過程(You et al., 2015)。一些環狀RNA的表達量並不受所對應的線性RNA表達量的影響，甚至出現表達狀態相反的情況。這表明環狀RNA的形成過程並非簡單的線性RNA轉錄後加工的產物。有些環狀RNA的形成與突觸可塑性存在一定的關聯性，具體機制還不清楚。此外，有些環狀RNA存在一定的進化保守性。

總而言之，有幾大特徵暗示環狀RNA在神經系統中扮演著非常特殊的角色：1. 大部分環狀RNA的表達丰度較低，但一些環狀RNA的表達丰度較高，甚至超過了所對應的線性RNA的表達量。2. 環狀RNA的表達特徵呈現細胞類型和發與分化狀態特異性的特徵。雖然這些環狀RNA所對應的線性RNA在不同類型的細胞中均有表達，但所對應的環狀RNA表達譜特徵有非常明顯的差別。3. 有些環狀RNA分子有高度保守的特徵，甚至可以追溯到果蠅中都有同源性較高的環狀RNA存在。這些特徵暗示了環狀RNA很可能存在目前尚未揭曉的重要功能。

環狀RNA為什麼在腦組織中含量更高？

圖4 環狀RNA伴隨神經發育過程而富集（來自(You et al., 2015)）

環狀RNA研究總體尚處於早期階段，還有很多奇特的現象沒有解釋清楚。關於環狀RNA為什麼在神經組織中更高丰度，以及一些組織細胞特異性的環狀RNA如何形成和如何發揮作用的問題，整體還沒有太大的進展。目前已有成熟的過表達和敲低環狀RNA的技術方法，專門針對這些「奇怪而有趣」的組織細胞特異性環狀RNA設計相關實驗分析它們的生理作用是接下來探索環狀RNA在神經系統以及其他組織中作用的重要課題方向。

參考文獻：

Ashwal-Fluss, R., Meyer, M., Pamudurti, N.R., Ivanov, A., Bartok, O., Hanan, M., Evantal, N., Memczak, S., Rajewsky, N., and Kadener, S. (2014). circRNA biogenesis competes with pre-mRNA splicing. Mol Cell 56, 55-66.

Rybak-Wolf, A., Stottmeister, C., Glazar, P., Jens, M., Pino, N., Giusti, S., Hanan, M., Behm, M., Bartok, O., Ashwal-Fluss, R., et al. (2015). Circular RNAs in the Mammalian Brain Are Highly Abundant, Conserved, and Dynamically Expressed. Mol Cell 58, 870-885.

Westholm, J.O., Miura, P., Olson, S., Shenker, S., Joseph, B., Sanfilippo, P., Celniker, S.E., Graveley, B.R., and Lai, E.C. (2014). Genome-wide Analysis of Drosophila Circular RNAs Reveals Their Structural and Sequence Properties and Age-Dependent Neural Accumulation. Cell Rep 9, 1966-1980.

You, X., Vlatkovic, I., Babic, A., Will, T., Epstein, I., Tushev, G., Akbalik, G., Wang, M., Glock, C., Quedenau, C., et al. (2015). Neural circular RNAs are derived from synaptic genes and regulated by development and plasticity. Nat Neurosci 18, 603-610.

文 | circRNA 吉賽生物

本文為作者授權肽度時界發布

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