Mol Cell | circRNA调控mRNA稳定性

撰文 | 格格

RNA-RNA互作在RNA介导的多种生物学过程中扮演着关键角色，包括RNA的产生、剪接、翻译和降解等【1】。circRNAs（Circular RNAs） 通过反向剪接产生，其生成过程依赖于RNA-RNA 互作，尤其是内含子中互补或反向序列之间的长距离配对【2】。circRNAs在基因表达调控中具有多样性，可以与RNA结合蛋白 （RBPs） 或其他转录本相互作用，影响转录、剪接、mRNA和蛋白质丰度，并作为miRNA或蛋白质海绵发挥作用【3-4】。RNA降解是维持基因表达忠实性的重要机制，主要有SMD （Staufen1介导的mRNA降解） 和NMD （无义介导的mRNA降解） 两种机制【5】。SMD依赖于mRNA 3’UTR内部或与长链非编码RNA之间的RNA双链结构。NMD依赖于核糖体在PTC （提前终止密码子） 处与UPF1的相互作用，UPF1会募集 RNA降解酶和适配体，导致mRNA的快速降解。NMD是真核细胞中已知最明确的mRNA 监控途径，通过选择性识别和下调包含PTC的mRNA来维持基因表达的忠实性。NMD过程主要涉及核糖体、帽子结合复合物 （CBC） 、外显子拼接复合体 （EJC） 和UPF1等因素。然而，circRNAs是否参与mRNA的降解目前尚不清楚。

近日，来自韩国科学技术学院生物科学系的Yoon Ki Kim研究团队在MolecularCell杂志发表题为Circular RNAs trigger nonsense-mediated mRNA decay的研究论文，该研究揭示了circRNA通过与mRNA的3’UTR 相互作用，将EJC带近mRNA的3’端，从而触发EJC依赖的NMD（circNMD），导致mRNA快速降解的分子机制。

研究人员首先构建了表达线性报告mRNA和效应circRNA的质粒，并通过RT-qPCR发现 circG-AS21和circG-AS30可以显著降低报告mRNA的水平，而circG-S21和circG-S30则相反，这表明circRNA与mRNA的选择性相互作用可以降低mRNA水平。进一步使用AMT 交联和MBP pull down实验，证实了circRNA与mRNA的特异性相互作用。为了验证 circRNA-mRNA 相互作用的重要性，研究人员设计了ASO干扰circG-AS30与RbG-S mRNA 之间的相互作用，发现ASO处理可以消除circG-AS30介导的RbG-S mRNA降解，而不会影响circRNA的表达。此外，研究人员还发现circRNA的产生依赖于回文序列。通过RIC-seq数据分析，研究人员发现41个circRNA与60个mRNA发生相互作用，其中24个 circRNA与28个mRNA的3’端发生相互作用。为了进一步验 circNMD的存在，研究人员设计了circRNA特异siRNA和针对BCL2L11 mRNA 3’端结合位点的ASO，发现siRNA处理可以降低circRNA的表达，而ASO处理可以降低BCL2L11 mRNA的水平，这进一步证实了 circNMD的存在。

为了研究circRNA介导的mRNA降解的效率，研究人员构建了不同位置的circG-AS30结合位点，发现circG-AS30只在mRNA的3’非编码区与报告mRNA发生相互作用，并且可以显著降低报告mRNA的水平，而其他位置的结合位点则没有这种效果。这表明circRNA与 mRNA 3’端的相互作用是circNMD发生的必要条件。此外，研究人员还构建了circG-AS30 结合位点数量不同的报告mRNA质粒，发现circNMD效率随着结合位点数量的增加而提高。进一步构建circG-AS30结合位点数量不同的circG变体，发现circNMD效率随着结合位点数量的增加而提高，这表明circRNA与mRNA 3’端的多个碱基配对可以增强circNMD的效率。

为了进一步研究circRNA介导的mRNA降解是否依赖于翻译过程，研究人员使用翻译抑制剂CHX 处理细胞，并发现CHX处理可以消除circRNA-mRNA相互作用和circNMD的发生。这表明翻译过程会将circRNA从mRNA上移除，从而阻止circNMD的发生。

最后，研究人员发现，circRNA可以与EJC相互作用，并通过RNA-RNA相互作用将EJC带近mRNA的3’端。为了验证这一过程，研究人员构建了包含外显子内含子的circG变体，发现EJC可以通过RNA-RNA 相互作用降低 mRNA 水平。这表明EJC可以通过RNA-RNA相互作用与mRNA结合，并参与circNMD的发生。

图1 circRNA介导mRNA降解的机制模式图

总之，该研究揭示了circRNA通过其与目标mRNA 3’UTR的相互作用，可以触发NMD途径，从而快速降解mRNA。该发现为circRNA在mRNA稳定性调控中的功能提供了新的见解，并为其在基因沉默和疾病治疗中的潜在应用打开了大门。

https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(24)00947-X

制版人：十一

参考文献

1. Deogharia, M., and Gurha, P. (2022). The "guiding" principles of noncoding RNA function. Wiley Interdiscip.Rev. RNA13, e1704.

2. Liu, C.X., and Chen, L.L. (2022). Circular RNAs: characterization, cellular roles, and applications.Cell185, 2016–2034.

3. Chen, Y.G., Kim, M.V., Chen, X., Batista, P.J., Aoyama, S., Wilusz, J.E., Iwasaki, A., and Chang, H.Y. (2017). Sensing Self and Foreign Circular RNAs by Intron Identity.Mol. Cell67, 228–238.e5.

4. Piwecka, M., Glazar, P., Hernandez-Miranda, L.R., Memczak, S., Wolf, S.A., Rybak-Wolf, A., Filipchyk, A., Klironomos, F., Cerda Jara, C.A., Fenske, P., et al. (2017). Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function.Science357, eaam8526.

5. Kim, Y.K., and Maquat, L.E. (2019). UPFront and center in RNA decay: UPF1 in nonsense-mediated mRNA decay and beyond.Rna25, 407–422.

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