环状RNA在神经系统发育和疾病中的作用

原创 2016-09-06 句月山人 circRNA

神经系统是目前已知的环状RNA丰度最高的组织，环状RNA在神经系统的生理和病理过程中发挥什么作用是一个重要的基本科学问题。八月份就有两篇综述文章分别探讨了环状RNA在神经系统发育和疾病过程中作用研究进展。

8月26日，Frontiers in Molecular Neuroscience杂志在线发表了荷兰University Medical Center Utrecht的R. Jeroen Pasterkamp教授为通讯作者的综述文章，讨论了环状RNA在神经发育中的作用机制的相关研究进展情况（Dani?lle et al., 2016）。

在这篇综述中，作者首先汇总了目前环状RNA结构，生成机制及功能的主要进展。环状RNA的序列构成方面，绝大部分的环状RNA由外显子构成，个别的会附带一些内含子来源的序列，也有少数是单纯由内含子构成的。需要强调的是，有的环状RNA剪接方式与所对应的线性RNA有所差别，暗示环状RNA可能存在有别于线性RNA分子的剪接方式或机制。生成机制方面，环状RNA主要通过反向互补的RNA序列（例如反向互补的Alu元件等）促进其形成，也可以在受到RNA结合蛋白（RBP）的调控，例如QKI等。功能方面，包括最经典的micro RNA sponge的模型，还可能通过与一些RBP结合影响后者的功能。环状RNA还可能参与基因转录作用过程，直接表达多肽等方式发挥功能。

在神经发育的过程中，环状RNA有什么表型？起什么作用？这是探讨环状RNA在神经发育过程中机制的核心问题。作者列举了一些相关文献中的进展。首先，神经组织中存在较高丰度的环状RNA，且呈现组织和细胞特异性的分布(Rybak-Wolf et al., 2015)。例如猪的大脑发育过程中，一些环状RNA特异性在小脑中高表达，而脑干中则没有这样的情况(You et al., 2015)。培养神经元中也发现伴随着添加GABA受体拮抗剂而上调或下调的环状RNA。

图1 神经突触中存在高丰度的环状RNA （来自(You et al., 2015)）

其次，最近的一些研究表明环状RNA在神经发育中有一些有趣的表现。例如与突触形成有关的基因Dscam 和 Homer1，与早期神经发育密切相关的Wnt通路相关基因，TGF-?通路相关基因均形成环状RNA(Veno et al., 2015)。神经发育的特定时期（比如突触形成过程），也会有一些特征性的基因形成环状RNA（例如Eph 和Robo家族基因）。与突出功能有关的基因（比如Dscam 和Homer 1）基因对应的环状RNA也会在突触区富集。环状RNA在突触区域的富集暗示其可能参与神经发育和生理活动的调控作用过程。

图2 大脑组织中环状RNA表达特征（来自(Veno et al., 2015)）

文中作者共总结了11种环状RNA可能参与调控神经发育过程的机制模型：

（1）竞争性结合micro RNA，例如CDR1as，SRY等环状RNA；

（2）影响轴突生长和神经元迁移，例如体外过表达CDR1as会影响神经元迁移作用；

（3）miR-671 可结合CDR1as并诱导AGO介导的降解CDR1as作用，释放所结合的micro RNAs；

（4）通过RNA结合蛋白影响环状RNA的形成及竞争性结合RBP的作用，例如QKI，MBL或ADAR1调控的环状RNA形成过程，环状RNA竞争性结合TDP-43的作用等；

（5）通过结合RBP促进后者的细胞定位变化，比如在神经突触中的定位；

（6）环状RNA作为RBP蛋白形成复合物的脚手架，促进RBP的相互作用和形成更复杂的蛋白-RNA复合物；

（7）EIciRNAs通过结合RNA聚合酶II促进所对应的基因的转录作用；

（8）环状RNA直接表达多肽；

（9）特定的环状RNA表达受到神经元状态的影响；

（10）环状RNA定位于突触小泡结构中；

（11）环状RNA定位于胞外膜结构中，可能参与远距离相互作用机制。以上总结的这些机制模型涵盖了绝大部分环状RNA研究的机制模型，它们均可能是环状RNA在神经系统中发挥作用的方式（Dani?lle et al., 2016）。

图3环状RNA 在神经发育过程中可能的作用机制模型（来自（Dani?lle et al., 2016））

最后作者还总结了目前探讨环状RNA在神经发育过程中作用机制相关的八个重要科学问题：

1. 神经系统的环状RNA起什么作用？

2. miRNA sponge或结合RNA结合蛋白是环状RNA发挥作用的主要方式吗？

3. 调控神经特异性环状RNA形成的顺式作用元件和反式作用因子是什么？

4. 神经特异性环状RNA神经活性相关性表达及时空表达规律是什么？

5. 神经中环状RNA转运和分泌的方式是什么？

6. 神经特异性环状RNA的序列和功能在进化上的保守性如何？

7. 神经特异性环状RNA是否影响神经系统的发育和病变过程？

8. 环状RNA能作为神经系统的标志物以及治疗靶点或工具吗？

作者列举的上述问题都是目前研究环状RNA在神经系统中作用的重要科学问题，对各位同仁开展这方面的研究有重要的启发意义。

8月11日，Molecular Neurobiology杂志在线发表了康奈尔大学Sun Tao教授为通讯作者的综述文章，介绍环状RNA在神经系统疾病中的研究进展(Floris et al., 2016)。

作者首先系统汇总了截至目前环状RNA的分类，形成机制与功能模型方面的研究进展情况，认为环状RNA的形成过程是受到一些条件控制的，并且存在组织特异性的特征，因此，环状RNA在生理和病理过程中非常可能有目前尚未发现的功能。

在神经系统方面，大脑中异常高丰度的环状RNA也引起了作者的浓厚兴趣，一些已发表的文献均暗示环状RNA在神经系统中可能扮演特殊角色。小鼠和人类大脑中均发现了大量相对保守的，丰度高于所对应的线性RNA的环状RNA(Westholm et al., 2014)。有的环状RNA在神经发育过程中出现表达增高的情况，呈现明显的时空表达特性。

图4 果蝇大脑中环状RNA会随着年龄增加而增多（来自(Westholm et al., 2014)）

突触结构中环状RNA的丰度更高。这些都不能用简单的基因加工副产物解释环状RNA在神经系统中的这些现象。环状RNA非常有可能有尚未知悉的重要生物学功能(Rybak-Wolf et al., 2015)。

疾病相关性研究的结果也表明环状RNA与AD，PD，ALS及精神分裂症有密切关系。例如miR-7在大脑皮层神经元祖细胞中丰度很高，ciRS-7作为著名的miR-7 sponge功能，其过表达与小头畸形有关，AD病人的海马区也观察到存在miR7-ciRS-7 互作异常的情况。AD病人中miR7-ciRS-7 互作异常还可能通过影响AD-淀粉样蛋白的清除作用关键蛋白UBE2A有关，这些现象都说明miR7-ciRS-7在AD发病机制中起重要作用(Lukiw, 2013)。

图5 AD病人中ciRS-7表达降低（来自(Lukiw, 2013)）

在PD中，miR7-ciRS-7可通过调控α-突触核蛋白的表达影响PD疾病进程(Ghosal et al., 2013)。神经发育重要的调控基因如FBXW7、DOPEY2、RMST等都存在对应的环状RNA，这些环状RNA的表达与神经发育异常有一定的关系(Szabo et al., 2015)。

图6 组织特异性环状RNA表达特征（来自(Szabo et al., 2015)）

一些ALS病人的胞质会出现RNA结合蛋白TDP-43富集的情况，如果胞质中富集ciRNA则能抑制TDP-43在胞质的富集和毒性作用，说明环状RNA还可以用于开发治疗神经系统疾病的药物(Armakola et al., 2012)。

图7 套索结构的ciRNA抑制ALS病人中TDP-43的细胞毒性作用
（来自(Armakola et al., 2012)）

最后在抑郁症患者外周血单个核细胞中发现了特征性的环状RNA：hsa_circRNA_103636，该环状RNA表达降低与抑郁症的疾病进程有关(Cui et al., 2016)。

图8 抑郁症患者与健康对照组环状RNA表达丰度分析（来自(Cui et al., 2016)）

总之，环状RNA在神经系统中一系列有趣的表现引起了全世界科学家的高度关注，这两篇综述只是针对已报道的文献进行了汇总分析，还有更多的未解之谜期待大家一起努力发掘。

参考文献：

van Rossum D, Verheijen BM and Pasterkamp RJ (2016) Circular RNAs: Novel Regulators of Neuronal Development. Front. Mol. Neurosci. 9:74. doi: 10.3389/fnmol.2016.00074

Armakola, M., Higgins, M.J., Figley, M.D., Barmada, S.J., Scarborough, E.A., Diaz, Z., Fang, X., Shorter, J., Krogan, N.J., Finkbeiner, S., et al. (2012). Inhibition of RNA lariat debranching enzyme suppresses TDP-43 toxicity in ALS disease models. Nat Genet 44, 1302-1309.

Cui, X., Niu, W., Kong, L., He, M., Jiang, K., Chen, S., Zhong, A., Li, W., Lu, J., and Zhang, L. (2016). hsa_circRNA_103636: potential novel diagnostic and therapeutic biomarker in Major depressive disorder. Biomark Med.

Floris, G., Zhang, L., Follesa, P., and Sun, T. (2016). Regulatory Role of Circular RNAs and Neurological Disorders. Mol Neurobiol.

Ghosal, S., Das, S., Sen, R., Basak, P., and Chakrabarti, J. (2013). Circ2Traits: a comprehensive database for circular RNA potentially associated with disease and traits. Frontiers in genetics 4, 283.

Lukiw, W.J. (2013). Circular RNA (circRNA) in Alzheimer's disease (AD). Frontiers in genetics 4, 307.

Rybak-Wolf, A., Stottmeister, C., Glazar, P., Jens, M., Pino, N., Giusti, S., Hanan, M., Behm, M., Bartok, O., Ashwal-Fluss, R., et al. (2015). Circular RNAs in the Mammalian Brain Are Highly Abundant, Conserved, and Dynamically Expressed. Mol Cell 58, 870-885.

Szabo, L., Morey, R., Palpant, N.J., Wang, P.L., Afari, N., Jiang, C., Parast, M.M., Murry, C.E., Laurent, L.C., and Salzman, J. (2015). Statistically based splicing detection reveals neural enrichment and tissue-specific induction of circular RNA during human fetal development. Genome biology 16, 126.

Veno, M.T., Hansen, T.B., Veno, S.T., Clausen, B.H., Grebing, M., Finsen, B., Holm, I.E., and Kjems, J. (2015). Spatio-temporal regulation of circular RNA expression during porcine embryonic brain development. Genome biology 16, 245.

Westholm, J.O., Miura, P., Olson, S., Shenker, S., Joseph, B., Sanfilippo, P., Celniker, S.E., Graveley, B.R., and Lai, E.C. (2014). Genome-wide Analysis of Drosophila Circular RNAs Reveals Their Structural and Sequence Properties and Age-Dependent Neural Accumulation. Cell Rep 9, 1966-1980.

You, X., Vlatkovic, I., Babic, A., Will, T., Epstein, I., Tushev, G., Akbalik, G., Wang, M., Glock, C., Quedenau, C., et al. (2015). Neural circular RNAs are derived from synaptic genes and regulated by development and plasticity. Nat Neurosci 18, 603-610.

近期热文

1
RBM20调控心肌中一类环状RNA的形成 2