中科院生化細胞所陳玲玲課題組揭示環形RNA參與抗病毒免疫新機制

6月15日，國際著名學術期刊Molecular Cell在線發表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所陳玲玲研究組和中國科學院－馬普計算生物學研究所楊力研究組關於環形RNA（circRNA）研究的最新進展：「Coordinated circRNA biogenesis and function with NF90/NF110 in viral infection」。該研究通過全基因組篩選發現了一系列與環形RNA生成加工等密切相關的反式作用蛋白因子，包括與抗病毒免疫相關的NF90和NF110等，揭示其通過結合兩側內含子配對序列進而促進環形RNA產生的機制，並闡明環形RNA通過與NF90/NF110的競爭性結合在抗病毒免疫過程中發揮重要功能作用。

研究組系統揭示了順式元件－內含子互補配對序列對環形RNA表達的關鍵作用（Zhang et al., Cell 2014; Zhang et al., Cell Rep 2016）；表明不同順式內含子互補配對序列的競爭性配對可以導致環形RNA的可變反向，進而從一個基因位點產生多個環形RNA分子（Zhang et al., Genome Res 2016）；通過系統衡量不同物種中順式作用元件對環形RNA生成的作用，闡明了人基因組中所蘊含的大量Alu序列是環形RNA在人中高表達的主要原因之一（Dong et al., RNA Biol 2017）。儘管已有的這些研究在多個水平系統揭示了順式內含子互補配對序列對環形RNA生成的關鍵調控作用，但是雖然具有相同的基因組序列，同一位點的環形RNA表達在不同的組織/細胞中存在著非常大的差異，這表明還存在反式因子水平的調控作用。同時，雖然已有一些特殊環形RNA的功能被逐漸揭示出來，對大部分環形RNA在細胞中的重要功能研究還缺乏系統的研究，我們認為與環形RNA結合的蛋白因子可能與環形RNA的重要生物學功能密切相關。

全基因組篩選以及NF90/NF110對circRNA表達和病毒免疫功能的調控機制

在這項最新的研究中，科研人員通過全基因組篩選發現了一系列與環形RNA生成加工等密切相關的反式作用蛋白因子，包括與抗病毒免疫相關的NF90和NF110等，敲低NF90/NF110均可以顯著降低內源環形RNA的表達，其主要通過結合環化外顯子兩側的內含子配對序列進而促進環形RNA的加工。更為重要的是，NF90/NF110也和成熟的環形RNA直接結合形成circRNP，並在抗病毒過程中發揮重要的免疫功能。當病毒感染時，NF90/NF110出核並導致環形RNA表達降低；同時，NF90/NF110更多地從circRNP中被釋放出來結合到病毒mRNA上，發揮抗病毒的作用（如圖所示）。研究還發現，無論是內源存在的環形RNA、還是人為構建的環形RNA都具有這種結合NF90/NF110發揮功能的潛力，這表明環形RNA參與抗病毒免疫反應的普遍性。

該項研究在陳玲玲研究員和楊力研究員的共同指導下，由生化與細胞所博士研究生李響、劉楚霄和計算生物學所研究助理薛尉共同完成。該研究得到生化與細胞所分子生物學技術平台、細胞分析技術平台和化學生物學技術平台的大力支持，並得到自科技部、基金委和中科院的經費支持。

Highlights

?Genome-wide siRNA screening identifies immune factors involved in circRNA formation

?NF90/NF110 promote back-splicing in the nucleus and also are components of circRNPs

?Nuclear export of NF90/NF110 upon viral infection leads to reduced circRNA levels

?NF90/NF110 released from circRNPs bind to viral mRNAs for antiviral immune response

Summary

Circular RNAs (circRNAs) generated via back-splicing are enhanced by flanking complementary sequences. Expression levels of circRNAs vary under different conditions, suggesting participation of protein factors in their biogenesis. Using genome-wide siRNA screening that targets all human unique genes and an efficient circRNA expression reporter, we identify double-stranded RNA-binding domain containing immune factors NF90/NF110 as key regulators in circRNA biogenesis. NF90/NF110 promote circRNA production in the nucleus by associating with intronic RNA pairs juxtaposing the circRNA-forming exon(s); they also interact with mature circRNAs in the cytoplasm. Upon viral infection, circRNA expression is decreased, in part owing to the nuclear export of NF90/NF110 to the cytoplasm. Meanwhile, NF90/NF110 released from circRNP complexes bind to viral mRNAs as part of their functions in antiviral immune response. Our results therefore implicate a coordinated regulation of circRNA biogenesis and function by NF90/NF110 in viral infection.

陳玲玲，研究員，博士生導師。2009年畢業於美國康涅狄格大學醫學院獲生物醫學博士學位，同時獲商學院工商管理學碩士學位。同年5月作為獨立PI獲得 Connecticut Stem Cell Seed Award研究經費資助，受聘於康涅狄格大學幹細胞學院從事博士後研究，並於2010年5月任助理教授。2011年1月任上海生化與細胞所研究員。目前擔任國際期刊Trends in genetics、Genome biology、Journal of Biological Chemistry編委。曾獲全球華人生物學家協會(CBIS) 青年研究員獎、中國青年女科學家獎、亞太分子生物學聯盟 (A-IMBN) 青年研究員獎、中國遺傳協會李汝祺動物遺傳獎、中國幹細胞研究協會青年研究員獎等。

研究方向：長非編碼RNA和幹細胞

研究工作：人類基因組測序計劃發現多於98%的轉錄基因組序列為非編碼RNA(ncRNA)。這些ncRNA包括人們所熟知的housekeepingncRNA(如tRNAs, rRNAs和snRNAs等)、小RNA(如miRNAs和piRNAs等)，以及上萬條長非編碼RNA(lncRNA，>200nt)。最近幾年來的研究表明lncRNAs廣泛參與一系列細胞的重要功能調控，包括細胞核亞結構的形成、基因表達的遺傳與表觀遺傳調控等。

我們實驗室主要研究哺乳動物細胞中lncRNAs的功能調控，包括新類型lncRNA分子的發掘、其加工成熟機制、以及它們在轉錄、染色體、細胞核亞結構和幹細胞乾性維持等方面的調控功能研究。未來五年，我們主要研究以下內容：

1、通過轉錄組測序和計算生物學手段結合的方法，發掘和鑒定人類基因組中的新類型lncRNA分子

2、利用分子生物學、細胞生物學和生物化學的手段，研究新lncRNA分子在基因表達調控中的作用機制

3、採用基因組編輯和活細胞成像等技術手段，研究lncRNA在細胞核亞結構和染色體維持和調控過程中的功能

4、以hESCs的多功能潛能性維持和分化為模型，研究lncRNA對人源胚胎幹細胞的命運決定的調控

研究成果將能夠豐富我們對lncRNAs功能和機制的認識，也為hESCs的多功能性維持和命運改變提供一個全新水平的調控。

本期編輯：中科院生化細胞所、Chen lab，Mol cell.

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