【科技前沿】Mol Cell 陈玲玲团队揭示环形RNA在神经发育过程中转运与功能调控新机制

时间: 2024-07-03 14:06:06 |   作者: 多元酸

  2024年6月4日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）陈玲玲团队在Cell Press细胞出版社期刊Molecular Cell上发表了他们关于环形RNA转运与功能研究的最新进展，题为“Altered nucleocytoplasmic export of adenosine-rich circRNAs by PABPC1 contributes to neuronal function”的研究论文。该研究之后发现一类腺苷酸富集（Adenosine-rich，(A)-rich）的环形RNA在人源胚胎干细胞H9的细胞核中滞留，并随着定向分化为前脑神经元的过程中出核。研究组解析了这一环形RNA转运调控的分子机理，并揭示其动态定位参与调控H9细胞中的蛋白质翻译和神经元的突触生长，首次将环形RNA出核调控与功能作用相偶联。

  环形RNA是一类共价闭合的单链RNA分子，主要由mRNA前体的外显子反向剪接而成。近十年来研究之后发现，环形RNA普遍表达，并具有区别于线性mRNA的生成加工、转运代谢及功能发挥途径与调控规律（详见近期综述 Cell 2022，Annu Rev Cell Dev Biol 2022）。环形RNA在细胞核内产生，大部分被转运定位于细胞浆中。已有研究揭示了多个参与mRNP（messenger ribonucleoprotein）和蛋白质出核的因子可能也参与了环形RNA出核。然而环形RNA出核在不同的生物学过程中是否受到调控，不同环形RNA的动态转运过程如何与功能偶联仍是环形RNA领域中的重要问题。

  在哺乳动物大脑神经发育过程中，环形RNA在神经细胞中累积并具备极其重大功能。那么，环形RNA在神经分化过程中具有怎样的亚细胞定位？其出核过程受到怎样的调控？这一过程又是否参与了神经分化和功能？为了回答这样一些问题，研究人员首先通过分离人源胚胎干细胞H9和体外定向分化的前脑神经元的细胞核与细胞质RNA，结合高通量测序分析，发现约300个(A)-rich的环形RNA在H9细胞核中滞留，并随着神经分化的过程出核。对多个环形RNA中富含(A)的基序进行添加或删减，可以在一定程度上完成对环形RNA的亚细胞定位的操控。机制研究之后发现，poly(A)结合蛋白PABPC1参与了这类(A)-rich环形RNA的转运调控。PABPC1是一种核质穿梭蛋白，过往的研究显示其在调控mRNA的加工转运、稳定性维持和翻译过程中发挥重要功能。该研究发现，H9细胞核中的PABPC1能够结合这些(A)-rich的环形RNA，形成的复合物被核篮蛋白TPR捕获而被滞留于核中。此前TPR被认为可以参与抑制剪接异常的线性RNA出核，从而对线性RNA出核进行质控，该研究根据结果得出TPR也在环形RNA出核调控中具备极其重大功能。有意思的是，在神经分化过程中，细胞核内PABPC1的表达水平下降，不再能够被TPR有效捕获，从而不再抑制(A)-rich环形RNA出核。

  值得一提的是，这一PABPC1参与调控的(A)-rich环形RNA亚细胞定位具有生理学意义。研究人员发现，递送(A)-rich环形RNA到H9细胞浆中，可以显著抑制mRNA翻译。这提示H9胞浆中过量的(A)-rich环形RNA可能与mRNA竞争性结合PABPC1并抑制翻译，(A)-rich环形RNA在干细胞中核滞留现象有利于干细胞增殖所需要的高效的蛋白翻译。针对在神经分化过程中出核的(A)-rich环形RNA circRTN4(2,3)研究之后发现，该环形RNA参与了神经元突触的生长调控，提示出核的(A)-rich环形RNA对于神经发育也具备极其重大意义。研究还发现mRNP出核因子NXF1参与了环形RNA的出核调控，然而其辅因子NXT1尽管在mRNA出核过程中发挥及其重要的作用，但并不调控环形RNA出核，提示环形RNA与线性RNA出核机制的区别。

  总之，该研究揭示了一种(A)-rich序列依赖性的环形RNA出核调控机制，该类环形RNA的亚细胞定位与其在细胞中的功能高度偶联，从而丰富了对环形RNA出核调控与功能作用机制的理解（图1）。

  中国科学院分子细胞卓越中心博士研究生曹诗梦、副研究员乌皓和中国科学院上海营养与健康研究所博士研究生袁国华为该论文的共同第一作者，中国科学院分子细胞卓越中心陈玲玲研究员为该论文的通讯作者。该项工作得到复旦大学生物医学研究院/复旦大学附属儿科医院杨力研究员的全力支持。该研究获得中国科学院分子细胞卓越中心分子生物学技术平台和细胞分析技术平台的技术上的支持，并获国家自然科学基金、科技部、中国科学院及上海市科委的基金支持。

  Cell Press细胞出版社公众号特别邀请陈玲玲研究员进行了专访，为大家进一步详细解读。

  环形RNA在细胞核中生成，但大部分会被运输到细胞质中。尽管已有初步研究显示，调控mRNA和蛋白质出核的因子可能参与了环形RNA的出核过程，但环形RNA的出核调控机制在不同生物学过程中是否受到调控，以及其动态转运是否与生物学功能相关，这些仍然是领域内的重要问题。我们的研究揭示了一类腺苷酸富集环形RNA在胚胎干细胞中核滞留，并随着神经分化过程出核。Poly(A)结合蛋白PABPC1与核篮蛋白TPR介导了这一环形RNA的动态定位调控。重要的是，这种环形RNA的动态定位具备极其重大的生物学意义，参与了H9细胞中的蛋白质翻译和神经分化过程中突触生长的调控，这是首次将环形RNA的出核调控与生物学功能相偶联。此外，本项研究还发现了新的参与环形RNA出核调控的因子NXF1，并揭示了环形RNA与线性RNA出核机制的差异。通过这项研究，我们不仅增进了对环形RNA动态调控机制的理解，也为探索环形RNA在细胞功能中的作用提供了新的视角，为未来的生物学研究和潜在的临床应用奠定了基础。

  我们的研究首次发现了一种序列依赖性的环形RNA出核调控机制，揭示了一类腺苷酸富集环形RNA在胚胎干细胞中的动态定位除了受到出核因子的调控，还存在额外的监测机制。这种对腺苷酸富集环形RNA出核的严密监控可能与胚胎干细胞需要充足的蛋白翻译来维持细胞增殖相关，过量的腺苷酸富集环形RNA出核会竞争性结合胞浆中的PABPC1，有几率会使蛋白翻译效率下降。此外，我们的研究还发现了环形RNA出核与神经分化功能紧密关联，出核调控具备极其重大的生理学意义。

  我们未来将进一步深入探究环形RNA领域的基础前沿问题，阐明环形RNA生成加工、在体多维折叠、转运定位和新功能新机制。此外，我们近期的研究表明环形RNA参与调控了天然免疫反应，人工合成环形RNA在包括银屑病、阿尔兹海默症等疾病模型中显示了很好的治疗效果，我们将进一步挖掘环形RNA在多种炎症疾病模型中代谢异常的致病机理，并发展环形RNA适配体技术和蛋白质替代技术用于潜在的疾病治疗中。

  陈玲玲，核糖核酸功能与应用重点实验室主任，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员，首届新基石研究员，首届上海杰出人才，国家基金委杰出青年。她长期从事核糖核酸（RNA）生物学研究，创建并利用新技术体系，发现多种新型非编码RNA分子家族，在揭示其生成规律、生物学功能和与人类疾病的关联等方面取得多项原创发现，为相关转化应用提供了理论基础。相关研究发表于Nature、Science、Cell及其子刊，累计发表论文百余篇，引用2.8万次，同行专评30余次。2020年起担任学术期刊Science、Cell的顾问委员；2018年以来多次担任知名国际学术会议大会主席，包括国际RNA学会、美国冷泉港实验室（CSHL）、冷泉港亚洲（CSHA）等；受邀百余次在国际知名学术会议以及哈佛大学和耶鲁大学等国际知名学术机构做主旨报告和邀请报告。先后获亚洲及大洋洲生物化学家与分子生物学家联盟FAOBMB 卓越研究奖、国际RNA学会Mid-Career Res Award、中国青年科技奖特别奖、科学探索奖和中国青年女科学家奖等学术奖励。

  曹诗梦，本科毕业于南开大学，2019年至今于中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生化细胞所）攻读博士学位，导师为陈玲玲研究员。博士在读期间主要致力于研究环形RNA动态定位的机制和相关功能，以一作和共同一作身份在Molecular Cell 和 Science China Life Sciences上发表论文。

  乌皓，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心副研究员，上海市浦江人才，中国科学院青年创新促进会会员，中国科学院特聘研究岗位（骨干）。主要是做长非编码RNA代谢与功能研究，以第一作者和通讯作者身份在Nature Protocols，Molecular Cell, Methods in Molecular Biology, PNAS, Cell Reports等期刊发表研究论文多篇，先后主持国家自然科学基金青年基金、上海市自然科学基金面上项目等多个科研项目。

  袁国华，本科毕业于复旦大学基础医学院，2020年进入中国科学院上海营养与健康研究所攻读计算生物学博士学位。主要围绕人工智能及转录组分析开展计算生物学研究，擅长利用机器学习及深度学习的方法对转录组学数据进行深入挖掘。博士在读期间开发了RNA亚细胞定位预测工具RNAlight，相关成果发表于Briefings in Bioinformatics；合作开发了RNA多聚腺苷酸化鉴定工具SCAPTURE，相关成果发表于Genome Biology。在校期间获研究生国家奖学金和中国科学院大学“三好学生”等奖项。

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