Science突破成果：又是魔剪CRISPR！首次揭秘「環狀RNA」與大腦功能有關

生物探索

編者按

環狀RNA是RNA領域最新的研究熱點，但它們在活體內的功能一直是一個謎。日前，發表在《科學》雜誌上的一項突破成果首次將環狀RNA與大腦功能聯繫起來。值得一提的是，幾乎無所不能的魔剪CRISPR又在其中發揮了重要作用。

CLIVEWA/SHUTTERSTOCK.COM

近年來，環狀RNA（Circular RNAs，circRNAs）越來越受到科學界的關注，但它們在活體內的功能一直是一個謎。8月10日，發表在Science雜誌上題為「Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function」的研究報道了一種稱為Cdr1as的環狀RNA能夠調節哺乳動物大腦中的microRNA水平。刪除Cdr1as會導致小鼠出現異常的神經元活動和行為障礙。

這是科學家們首次將環狀RNA與大腦功能聯繫起來。德國Max Delbrück分子醫學中心的Nikolaus Rajewsky教授是該研究的通訊作者。

圖片來源：Max-Delbrück-Center for Molecular Medicine (MDC)

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2013年的1篇Nature

RNA不僅僅是DNA和其編碼蛋白質之間的普通信使。事實上，生物體內有多種非編碼RNA分子存在。環狀RNA是一類特殊的非編碼RNA分子，也是RNA領域最新的研究熱點。與傳統的線性RNA（linear RNA）不同，環狀RNA分子呈封閉環狀結構。環狀RNA曾經被認為是基因表達錯誤的結果，現在已確定有數百種環狀RNA在生物體內特異性表達。

圖片來源Nature

其中，Cdr1as是在哺乳動物大腦中高表達的一種環狀RNA。早在2013年2月，Rajewsky教授和他的同事們在Nature雜誌上發表了一篇題為「Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency」的論文。該研究發現，Cdr1as具有充當microRNA「海綿」（sponge）的潛能。它具有超過60個miR-7（一種microRNA）的結合位點。不過，這種「海綿」的作用還不清楚。

事實上，Cdr1as也是不同尋常的，因為它是從DNA的反義鏈中轉錄而來，沒有良好表達的線性等價物（it has no well-expressed linear equivalent）。這一特徵使得研究人員能夠利用包括CRISPR-Cas9在內的DNA編輯工具開展Cdr1as相關的功能缺失分析。

圖片來源：Science

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最新Science發現了什麼？

在最新發表的這篇Science論文中，Rajewsky教授和他的同事們首次利用了他們先前開發的一種技術。該技術之前是用於檢測體內microRNAs和其它分子的相互作用。

利用小鼠和人類死後的大腦，研究小組發現，miR-7和另一種microRNA——miR-671都能與Cdr1as結合。

接下來，研究人員利用基因組編輯技術CRISPR-Cas9選擇性刪除了小鼠中的Cdr1as基因。在這些突變小鼠中，大部分microRNAs的表達在被研究的4個大腦區域中沒有受到干擾。然而，研究小組檢測到，miR-7的水平下調了，miR-671的水平上調了。

由於microRNAs在調節信使RNA方面起著重要作用（microRNAs是一類短的RNA分子，通常與信使RNA的互補序列結合，因而控制特異性蛋白的表達），研究人員接著開始調查在Cdr1as缺陷型動物中的基因表達變化情況。結果發現，Cdr1as敲除小鼠中與大腦活性相關的一組稱為「即刻早期基因」（immediate early genes，如Fos）的基因的表達發生了變化。這些基因很多已經被鑒定為是miR-7的靶標。

Rajewsky教授說：「我們已經知道，即刻早期基因的上調通常是神經元活動的標誌。在Cdr1as基因敲除小鼠的大腦中，非常清晰的是，這類基因表達上調了。」

與基因表達變化一致的是，研究人員發現，突變小鼠確實表現出了神經元活動的異常。此外，對神經元的單細胞分析顯示，與對照組相比，基因敲除小鼠出現了兩倍以上微型興奮突觸後電流（miniature excitatory postsynaptic currents，神經傳遞中斷的信號）的發生頻率。

Circular RNA can impact normal brain function. Credit: The circular RNA biology Training Network (circRTrain), MDC.

最後，研究小組進行了一系列實驗，用以尋找cdr1as缺陷帶來的行為後果（behavioral consequences）。雖然基因敲除小鼠表現出了正常的焦慮水平，且並沒有明顯的記憶缺陷，但研究人員發現，這些攜帶突變的小鼠在前脈衝抑制實驗（prepulse inhibition experiment）中表現不佳。這類實驗是測定動物抑制對厭惡刺激物（如突然的巨大聲響）驚嚇反應的能力。

Rajewsky教授解釋道：「這是一種防止你在嘈雜環境中崩潰的機制。人類中這種機制受損往往與神經精神病學障礙有關，如精神分裂症、Tourette綜合征等。」這一發現暗示了Cdr1as在行為方面的「終極作用」。

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其他科學家點評

未參與該研究的布蘭迪斯大學的神經學家Sebastian Kadener說：「很少有論文能夠真正稱得上是一項突破，但這篇論文是真的令人興奮：它首次證明了環狀RNA在動物體內的功能。」

此外，斯坦福大學的RNA研究者Julia Salzman認為，這是一項迷人且重要的研究，是該領域的一個重大進展。

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總結

這一研究在結論中表明，環狀RNA與miRNAs之間的相互作用對正常的大腦功能非常重要。接下來，除了調查Cdr1as功能背後的機制，研究小組還將調查在上述基因敲除小鼠中表達下調的其它基因的影響。舉例來說，在Cdr1as缺陷型小鼠中，某些晝夜節律基因的表達被改變了。

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參考資料：1）First In Vivo Function Found for Animal Circular RNA

2）Circular RNA linked to brain function

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