6月4日，《分子細(xì)胞》（Molecular Cell）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳玲玲研究組關(guān)于環(huán)形RNA轉(zhuǎn)運(yùn)與功能研究的最新進(jìn)展。該研究發(fā)現(xiàn)一類腺苷酸富集【Adenosine-rich，(A)-rich】的環(huán)形RNA在人源胚胎干細(xì)胞H9的細(xì)胞核中滯留，并隨著定向分化為前腦神經(jīng)元的過程出核。該工作解析了這一環(huán)形RNA轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控的分子機(jī)理，揭示其動(dòng)態(tài)定位參與調(diào)控H9細(xì)胞中的蛋白質(zhì)翻譯和神經(jīng)元的突觸生長(zhǎng)，并將環(huán)形RNA出核調(diào)控與功能作用相偶聯(lián)。

環(huán)形RNA是一類共價(jià)閉合的單鏈RNA分子，主要由mRNA前體的外顯子反向剪接而成。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形RNA普遍表達(dá)，并具有區(qū)別于線性mRNA的生成加工、轉(zhuǎn)運(yùn)代謝及功能發(fā)揮途徑與調(diào)控規(guī)律。環(huán)形RNA在細(xì)胞核內(nèi)產(chǎn)生且大部分被轉(zhuǎn)運(yùn)定位于細(xì)胞漿中。有研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)參與mRNP和蛋白質(zhì)出核的因子可能參與環(huán)形RNA出核。而環(huán)形RNA出核在不同的生物學(xué)過程中是否受到調(diào)控，不同環(huán)形RNA的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)過程如何與功能偶聯(lián)仍是環(huán)形RNA領(lǐng)域中的重要問題。

在哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)發(fā)育過程中，環(huán)形RNA在神經(jīng)細(xì)胞中累積并發(fā)揮重要功能。那么，環(huán)形RNA在神經(jīng)分化過程中具有怎樣的亞細(xì)胞定位？出核過程受到怎樣的調(diào)控？這一過程是否參與神經(jīng)分化和功能？為了回答這些問題，研究人員通過分離人源胚胎干細(xì)胞H9和體外定向分化的前腦神經(jīng)元的細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)RNA，結(jié)合高通量測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)約300個(gè)(A)-rich的環(huán)形RNA在H9細(xì)胞核中滯留并隨著神經(jīng)分化的過程出核。對(duì)多個(gè)環(huán)形RNA中富含(A)的基序進(jìn)行添加或刪減，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形RNA的亞細(xì)胞定位的操控。機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，poly(A)結(jié)合蛋白PABPC1參與這類(A)-rich環(huán)形RNA的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控。PABPC1是核質(zhì)穿梭蛋白。過往研究顯示，PABPC1在調(diào)控mRNA的加工轉(zhuǎn)運(yùn)、穩(wěn)定性維持和翻譯過程中發(fā)揮關(guān)鍵功能。研究發(fā)現(xiàn)，H9細(xì)胞核中的PABPC1能夠結(jié)合這些(A)-rich的環(huán)形RNA，形成的復(fù)合物被核籃蛋白TPR捕獲而被滯留于核中。此前TPR被認(rèn)為可以參與抑制剪接異常的線性RNA出核，從而對(duì)線性RNA出核進(jìn)行質(zhì)控。研究表明，TPR在環(huán)形RNA出核調(diào)控中具有重要功能。在神經(jīng)分化過程中，細(xì)胞核內(nèi)PABPC1的表達(dá)水平下降，不再能夠被TPR有效捕獲，從而不再抑制(A)-rich環(huán)形RNA出核。

PABPC1參與調(diào)控的(A)-rich環(huán)形RNA亞細(xì)胞定位具有生理學(xué)意義。研究發(fā)現(xiàn)，遞送(A)-rich環(huán)形RNA到H9細(xì)胞漿中，可以抑制mRNA翻譯。這提示H9胞漿中過量的(A)-rich環(huán)形RNA可能與mRNA競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合PABPC1并抑制翻譯，(A)-rich環(huán)形RNA在干細(xì)胞中核滯留現(xiàn)象利于干細(xì)胞增殖所需要的高效的蛋白翻譯。研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)在神經(jīng)分化過程中出核的(A)-rich環(huán)形RNA circRTN4(2,3)，該環(huán)形RNA參與神經(jīng)元突觸的生長(zhǎng)調(diào)控，提示出核的(A)-rich環(huán)形RNA對(duì)于神經(jīng)發(fā)育具有重要意義。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，mRNP出核因子NXF1參與環(huán)形RNA的出核調(diào)控。盡管輔因子NXT1在mRNA出核過程中發(fā)揮重要作用，但不調(diào)控環(huán)形RNA出核，提示環(huán)形RNA與線性RNA出核機(jī)制存在差異。

該研究揭示了(A)-rich序列依賴性的環(huán)形RNA出核調(diào)控機(jī)制。該類環(huán)形RNA的亞細(xì)胞定位與其在細(xì)胞中的功能高度偶聯(lián)，這豐富了科學(xué)家對(duì)環(huán)形RNA出核調(diào)控與功能作用機(jī)制的認(rèn)知。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助，并獲得分子細(xì)胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)的技術(shù)支持。

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環(huán)形RNA出核調(diào)控與功能偶聯(lián)調(diào)控新機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，PABPC1和TPR在H9細(xì)胞中抑制富含腺苷的環(huán)形RNA出核，而在神經(jīng)分化過程中出核抑制被解除，且這一出核過程伴有重要的細(xì)胞功能。插圖中，坐在龍舟上的粽子代表裝有PABPC1的腺苷富集環(huán)形RNA。它們想要過河卻被山神阻止，體現(xiàn)了TRP在核孔處的出核監(jiān)視機(jī)制。