環(huán)形RNAs形成機(jī)制的多樣性

張小跎

摘要： 環(huán)形RNAs是一種結(jié)構(gòu)與常見(jiàn)線性RNA不同的一種環(huán)形轉(zhuǎn)錄物。生命的各個(gè)領(lǐng)域環(huán)形RNAs廣泛存在，包括真核生物、細(xì)菌、古生菌和病毒，而且在神經(jīng)細(xì)胞中高度表達(dá)，說(shuō)明它們可能具有一定的生物功能。多年來(lái)，我們對(duì)于它們的形成機(jī)制和功能并不清楚。最近的研究表明環(huán)形RNAs的形成機(jī)制和功能具有多樣性，例如有外顯子環(huán)化、內(nèi)含子環(huán)化、細(xì)菌基因組環(huán)化等。

Abstract： Circular RNAs is a ring transcript with a structure different from the common linear RNA. In all areas of life， ring RNAs is widespread， including eukaryotes， bacteria， archaea， and viruses， and is highly expressed in nerve cells， suggesting that they may have certain biological functions. Over the years， we have not been clear about their formation mechanisms and functions. Recent studies have shown that the formation mechanism and function of circular RNAs are diverse， such as exon cyclization， intron cyclization， and bacterial genome cyclization， etc.

關(guān)鍵詞： 環(huán)形RNA；形成機(jī)制；多樣性

Key words： circular RNA；formation mechanism；diversity

中圖分類號(hào)：K826.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0176-02

0 引言

多種形成機(jī)制造成了多樣性的環(huán)形RNAs，具有了多種多樣的功能，它能夠作為miRNA海綿、RBP海綿、翻譯蛋白等。在這里我們總結(jié)了對(duì)于環(huán)形RNA生成機(jī)制和功能的研究發(fā)現(xiàn)。環(huán)形RNA以多種形式存在與自然界中，例如真核生物中外顯子后向剪接的產(chǎn)物、病毒或類病毒的基因組、古生菌中tRNA和rRNA內(nèi)含子的剪切產(chǎn)物[1]。外顯子環(huán)化主要通過(guò)后向剪接來(lái)形成，后向剪接就是通過(guò)下游外顯子3'供體特異結(jié)合上游外顯子5'受體，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)（圖1b）。內(nèi)含子環(huán)化，病毒和類病毒的基因組環(huán)化。環(huán)形RNAs沒(méi)有可供核苷酸外切酶識(shí)別的3'端，所以能夠抵制核苷酸外切酶的降解。成熟環(huán)形RNA在細(xì)胞質(zhì)中大量存在，能夠作為miRNAs海綿，典型的例子是miR-7海綿。結(jié)合RBP合成RNA-protein合成物，或者調(diào)解基因轉(zhuǎn)錄。

1 環(huán)形RNA的形成機(jī)制

1.1 外顯子環(huán)化

真核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，將內(nèi)含子切除重要分為兩步：①內(nèi)含子上的2'端，又稱為分支點(diǎn)（branch point），通過(guò)2'端攻擊5'端剪切位點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)在5'端具有自由3'-OH的外顯子和帶有套索結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物；②通過(guò)5'端的3'-OH攻擊中間產(chǎn)物的3'端剪切位點(diǎn)，使套索內(nèi)含子脫離中間產(chǎn)物，最終生成：一個(gè)套索內(nèi)含子和兩個(gè)外顯子結(jié)合的線性RNA（圖1a）。外顯子環(huán)形RNAs可能是剪切行為的產(chǎn)物，最早是在1991年被發(fā)現(xiàn)[2]。從此成千上百的環(huán)形RNAs在哺乳動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)，并且部分外顯子高度富集和保守[3-5]。外顯子環(huán)化的具體機(jī)制還不是特別清楚，普遍認(rèn)為有兩種生成機(jī)制：外顯子跳躍剪接（exon-skipping）和直接后向剪接（back-splicing）（圖1ab）。

什么是“直接后向剪接”？這個(gè)以前認(rèn)為是由外顯子不規(guī)律剪接造成的錯(cuò)誤剪接[3，6]。“直接后向剪接”牽涉到一個(gè)預(yù)期下游外顯子的3'-tail與一個(gè)通常在上游的外顯子的5'-head結(jié)合。一個(gè)下游的簡(jiǎn)介供體與上游未剪接的受體匹配結(jié)合。最終，外顯子環(huán)化了（圖1b）。第二種環(huán)化機(jī)制牽涉到由外顯子跳躍剪切產(chǎn)生的包含外顯子的套索結(jié)構(gòu)。套索結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)內(nèi)部剪接，形成環(huán)形RNA[7]（圖1a）。兩種機(jī)制比較，直接后向剪接是經(jīng)常使用的路徑[3]。最近研究發(fā)現(xiàn)外顯子環(huán)化依賴于側(cè)翼內(nèi)含子，不同內(nèi)含子上的互補(bǔ)重復(fù)序列相互作用，決定了外顯子環(huán)化的效果[8]。另外，已經(jīng)證明環(huán)化和線性剪接是相互競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)系，環(huán)形RNA應(yīng)該具有作為基因調(diào)控因子的作用[9]。

為了在體內(nèi)產(chǎn)生特定環(huán)形RNA，將包含能夠環(huán)化的外顯子序列與側(cè)翼能夠互補(bǔ)配對(duì)的內(nèi)含子，但是不包含額外的上下游外顯子序列的過(guò)表達(dá)質(zhì)粒注入哺乳動(dòng)物細(xì)胞，這些質(zhì)粒成功產(chǎn)生了環(huán)形RNA。

1.2 內(nèi)含子環(huán)化

Group I內(nèi)含子自我剪接產(chǎn)生一個(gè)分支套索中間體和一個(gè)上文提到的外顯子跳躍形成的套索內(nèi)含子（圖 1a）。另外，有證據(jù)顯示group I作為RNA環(huán)形物存在，盡管是以2'-5'的形式存在[10]。環(huán)形結(jié)構(gòu)需要先釋放3'外顯子，例如反式剪接（trans-splicing）機(jī)制。內(nèi)含子的2'-OH端攻擊5'外顯子與內(nèi)含子的結(jié)合部分（5'-剪切位點(diǎn)），產(chǎn)生了環(huán)化內(nèi)含子和5'-外顯子。

與剪接體和group II內(nèi)含子相對(duì)的是group I內(nèi)含子的自我剪接。group I 首先吸附exoG作為額外的親核試劑作為最初的剪切分子攻擊5'剪切位點(diǎn)，隨后與內(nèi)含子5'尾點(diǎn)結(jié)合。有趣的是存在的線性內(nèi)含子可以通過(guò)3'-OH端攻擊內(nèi)含子尾點(diǎn)5'-PO[11]，最終釋放5'端序列和環(huán)化內(nèi)含子（圖1d）。環(huán)化位點(diǎn)的選擇依賴于先前提到的內(nèi)含子中特殊分裂位點(diǎn)核苷酸的匹配。結(jié)果大量剪短的環(huán)形內(nèi)含子存在，但是多數(shù)在體內(nèi)是不能長(zhǎng)期存在。另外除了剪短的環(huán)形內(nèi)含子，全長(zhǎng)內(nèi)含子同樣被發(fā)現(xiàn)，最初發(fā)現(xiàn)在3'剪切位點(diǎn)水解分裂，隨后ωG攻擊5'剪切位點(diǎn)。最終的產(chǎn)物是全長(zhǎng)環(huán)形內(nèi)含子和非環(huán)化外顯子。然而在四膜蟲(chóng)內(nèi)含子中，全長(zhǎng)環(huán)形內(nèi)含子是較少且難以檢測(cè)的。然而，對(duì)于更復(fù)雜的核內(nèi)group I外顯子，在體內(nèi)時(shí)主要生成全長(zhǎng)環(huán)形內(nèi)含子，并且易于檢測(cè)。形成全長(zhǎng)環(huán)形內(nèi)含子看起來(lái)像是核內(nèi)group I內(nèi)含子的特性。剪短和全長(zhǎng)的環(huán)形內(nèi)含子的功能目前還未知，但是推測(cè)它們的結(jié)構(gòu)可以影響內(nèi)含子的機(jī)動(dòng)性。

1.3 滾環(huán)復(fù)制

病毒基因組、類病毒附屬RNAs和人類HDV基因組都是環(huán)形RNA。他們通過(guò)滾環(huán)機(jī)制進(jìn)行自我復(fù)制，依賴一極或兩極的環(huán)形模板進(jìn)行復(fù)制，將產(chǎn)生的RNA長(zhǎng)鏈分裂形成雙鏈環(huán)形RNA和單分子長(zhǎng)鏈，將單分子長(zhǎng)鏈環(huán)化形成環(huán)形RNA，并通過(guò)互補(bǔ)配對(duì)形成新的雙鏈環(huán)形RNA（圖 1d）。其中一些物種中，依賴宿主酶調(diào)節(jié)分裂行為，在其他的順式反應(yīng)中由核糖酶（錘狀核糖酶（HHR）、發(fā)卡核糖酶（HPR）、HDV核糖酶）進(jìn)行分裂。盡管體內(nèi)自我連接（self-ligation）被檢測(cè)到，但是分子間連接主要依靠宿主酶催化[12]。在不同的病毒家族中具有多樣性，分裂產(chǎn)生5'-phosphate和3'-OH或5'-OH和2'，3'端。這些特性能夠被環(huán)化中的單位長(zhǎng)度的線性RNAs所識(shí)別。例如，pospiviroidae家族的成員依靠宿主RNA連接，催化5'-phosphate和3'-OH端連接。將長(zhǎng)復(fù)制中間產(chǎn)物分裂為單位長(zhǎng)度單鏈，使終端靠近。

Avsunviroidae家族中，單位長(zhǎng)度的RNAs是由HHR介導(dǎo)的自我分裂產(chǎn)生的，因此包含5'-OH和2'，3'端。兩端是恰當(dāng)方向的重新排序產(chǎn)生的[13]，據(jù)推測(cè)依靠tRNAs連接酶進(jìn)行環(huán)化。研究表明，HHR催化產(chǎn)生典型的3'，5'-phosphate bond或另一種形式的自我連接產(chǎn)生的典型的3'，5'-phosphate bond形成環(huán)化。三種nepovirus附屬RNAs中進(jìn)行自我連接比較讓人信服的是HPR。在體內(nèi)HPR的連接行為明顯比HHR高，因此體內(nèi)環(huán)化很可能只依賴HPR。最近越來(lái)越多的證據(jù)顯示，宿主酶催化環(huán)化，推測(cè)也可能是tRNA連接。

圖1為多種環(huán)形RNA的形成機(jī)制，其中（a）外顯子來(lái)源的線性RNA形成和內(nèi)含子驅(qū)動(dòng)的外顯子環(huán)化；（b）側(cè)翼內(nèi)含子互補(bǔ)序列匹配驅(qū)動(dòng)的外顯子環(huán)化；（c）group I 和group II 催化產(chǎn)生的內(nèi)含子環(huán)化；（d）滾環(huán)復(fù)制。

2 結(jié)束語(yǔ)

所有的環(huán)形病毒、類病毒附屬RNAs、HDV RNA有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是免于被核酸外切酶降解，全基因組復(fù)制同樣不需要初始點(diǎn)或者標(biāo)簽，明顯與生命的最初形式相關(guān)。另外HDV RNA通過(guò)它的反基因鏈進(jìn)行翻譯蛋白，這證明了一個(gè)清楚的功能。然而，病毒或類病毒的RNAs編碼蛋白是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樗鼈兲×耍灾劣谶B最小復(fù)雜度的蛋白都無(wú)法翻譯。

綜上所述，由于環(huán)形RNA具有上述的多種特征，所以環(huán)形RNA可能在生物代謝調(diào)節(jié)機(jī)制中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)功能。由于環(huán)形RNA的形成機(jī)制多樣，已發(fā)現(xiàn)多種生物學(xué)功能，環(huán)形RNA還有許多方面需要進(jìn)一步探索。

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