Science：重磅！揭示環狀RNA與大腦功能存在關聯

2017年8月13日/生物谷BIOON/---儘管上百種環狀RNA（circular RNA, circRNA）在哺乳動物大腦中大量存在，但是一個重要的問題仍未解決：它們實際上發揮著什麼作用？在一項新的研究中，來自德國馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心的Nikolaus Rajewsky和他的團隊首次將一種circRNA與大腦功能關聯在一起。相關研究結果於2017年8月10日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function」。

RNA遠不僅是DNA和它編碼的蛋白之間的普通信使。確實，存在幾種不同的非編碼RNA分子。它們能夠是長鏈非編碼RNA（lncRNA）或短調節RNA（miRNA）；它們能夠干擾蛋白產生（siRNA）或者協助蛋白產生（tRNA）。在過去20年裡，科學家們已發現了大約20種在分子微觀世界中形成複雜網路結構的RNA種類。在它們當中最為神秘的是circRNA，它們是一類不同尋常的RNA，這是因為它們的頭部與它們的尾部連接在一起，形成一種共價閉合環。幾十年來，circRNA被認為是一種罕見的外來的RNA種類。事實上，情況剛好相反。當前的RNA測序分析已揭示出它們是一種龐大的RNA種類，在大腦組織中高度表達。

上千種circRNA存在於線蟲、小鼠和人類中

在2013年，兩項發表在Nature期刊上的開創性研究描述了circRNA，其中的一項研究是由Nikolaus Rajewsky和他的團隊領導的。有趣的是，大多數circRNA是非常穩定的，在細胞質中連續地漂浮幾個小時甚至幾天。Rajewsky團隊提出circRNA至少有時發揮著基因調節的作用。作為一種較大的單鏈環狀RNA，Cdr1as有大約1500個核苷酸，可能發揮著像海綿那樣吸收微RNA（microRNA, miRNA）的作用。比如，它為一種被稱作miR-7的microRNA提供70多個結合位點。microRNA是較短的RNA分子，通常結合到信使RNA（mRNA）的互補序列上，因而控制著細胞產生的特定蛋白數量。

此外，Rajewsky和他的合作者們分析了相關資料庫，發現了線蟲、小鼠和人類中的上千種不同的circRNA。它們中的大多數在進化中是高度保守的。Rajewsky說，「我們發現了一個平行的未知RNA世界。自從首次發表以來，這個領域已取得極大發展；上百項新的研究已被開展。」

理解一種主要在興奮性神經元中存在的circRNA

在當前的這項研究中，Rajewsky團隊與馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心的Carmen Birchmeier實驗室合作重新研究了Cdr1as。論文共同第一作者Monika Piwecka說，「這種特定的circRNA能夠在興奮性神經元中但不在神經膠質細胞中發現。在小鼠和人類的大腦組織中，存在兩種結合到它上的microRNA：miR-7和miR-671。」

接下來，Rajewsky和他的合作者們利用基因組編輯技術CRISPR/Cas9選擇性地剔除小鼠中的一種環狀RNA，即Cdr1as。在這些小鼠中，大多數microRNA的表達在4個研究的大腦區域中未被干擾。然而，miR-7下調錶達，miR-671上調錶達。這些變化是轉錄后發生的，這就與Cdr1as通常與細胞質中的這些microRNA相互作用的觀點相一致。

Rajewsky說，「這表明Cdr1as通常通過吸收miR-7而讓它保持穩定或運送它，而miR-167可能起著調節這種特定circRNA水平的作用。」如果miR-7在細胞中漂浮著，不能夠結合任何地方，那麼它將作為廢棄物被降解。這種circRNA阻止這種情形發生，也將它攜帶到新的地方，如突觸。他補充道，「我們可能不應將Cdr1as比作為海綿，而應將它比作為船。它阻止它的乘客溺水，同時也將它們帶到新的碼頭。」

microRNA濃度變化對神經細胞中的mRNA和它們表達的蛋白產生顯著的影響，特別是對一組被稱作「立即早期基因（immediate early genes）」的基因而言。這些變化是神經元遭受刺激時作出第一波反應的一部分。編碼涉及維持小鼠醒睡周期（sleep-wake cycle）的蛋白的mRNA也受到影響。

Cdr1as調節突觸反應

利用單細胞電生理學技術，論文共同作者、柏林夏里特醫學院研究員Christian Rosenmund觀察到突觸中的自發性囊泡釋放增加了兩倍。對兩個連續刺激作出的突觸反應也發生變化。進一步在馬克斯-德爾布呂克分子醫學中心開展的行為分析反映了這些發現。儘管這些小鼠在很多方面表現正常，但是它們不能夠降低它們對雜訊等外來信號作出的反應。在精神分裂症或其他的精神疾病患者中，也注意到前脈衝抑制（pre-pulse inhibition）發生了類似的破壞。

我們每天的經歷依賴於這種雜訊過濾功能：當強烈的雜訊突然地破壞圖書館的安靜氣氛時，我們很難避免不受傷害。然而，這種相同的突然巨響將對附近的建設工地似乎沒有那麼大的威脅。在這種情形下，大腦有機會加工之前發生的噪音，過濾到不必要的信息。因此，驚跳反射（startle reflex）受到抑制，即前脈衝抑制。這種基礎的大腦功能允許健康的動物和人類短暫地適應強刺激，避免信息超負荷。如今，這些研究人員發現這種功能與Cdr1as存在關聯。

Nikolaus Rajewsky說，「從功能上說，我們的數據提示著Cdr1as和它與microRNA之間發生的直接相互作用對感覺運動門控（sensorimotor gating）和突觸傳遞是較為重要的。一般地說，鑒於大腦發生非常高的多樣化的環狀RNA表達，我們認為我們的數據提示著這些環狀RNA發揮著一種之前未知的生物學功能。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Monika Piwecka, Petar Gla?ar, Luis R. Hernandez-Miranda et al. Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function. Science, Published online:10 Aug 2017, doi:10.1126/science.aam8526