環狀RNAs（Circular RNAs)在植物體內的功能和調節網路

circular RNAs (circRNAs)是最近幾年發現的一類內源共價閉合的環狀RNAs。它們最初是1970s在植物類病毒中發現。但是隨後的幾十年，只有很少數的circRNAs被發現，由於cicRNAs的低表達量和組織表達特異性以及分子生物學技術的限制，最初它們被認為是轉錄的副產物或不正常剪切轉錄的噪音。但隨著高通量測序技術和生物信息學分析技術的發展，成千上萬的circRNAs被鑒定出來。它們在真核生物中廣泛存在，並在多個生命活動過程和發育過程中發揮非常重要的功能。環狀RNA與疾病的發生特別是腫瘤的發生和發展密切相關，已經成為RNA領域一個新的研究熱點。

大部分circRNAs的研究是發生在動物中， 最近三、四年植物中的circRNAs才被報道。通過轉錄組水平的研究在多種植物中發現了大量circRNAs，對一些植物中circRNAs的產生和作用機制也有了初步研究。

植物circRNAs的鑒定

circRNAs可以從外顯子，內含子以及基因間區產生。是在mRNA前體(pre-mRNA)剪切過程中，外顯子的5』端和3』端以反向剪切方式形成的環狀RNA，如圖1(a)所示。生物信息學手段鑒定circRNAs的方法原理是根據動物中circRNAs的研究，分析去除核糖體RNA的全轉錄組資料庫。首先去除可以比對到參考基因組上的reads，對那些不能比對到參考基因組上的reads，做進一步的分析。將這些reads的兩端各取20-nt的reads稱為anchor 序列，記為5』anchor和3』anchor，將每一對anchor序列再比對到參考基因組上，如果兩個anchor 序列按相反的位置前後均能比對到參考基因組(5』anchor比對在右端，3』anchor比對在左端)，並且該anchor所在的完整reads能在比對的位置找到剪接位點，並且完美匹配，則將此完整的reads作為候選的circRNAs[圖1(b)]。最後再進行某些條件的篩選。目前常用的用於circRNAs鑒定的工具有MapSplice，PredcircRNA, find_circ_enhance等等。

圖1 鑒定植物circRNAs的方法

目前在擬南芥葉片和水稻根中鑒定出6012和 12037個circRNAs，而且至少有700個分子是同源的，說明circRNAs在不同植物中存在著保守性。在番茄、小麥、大麥、獼猴桃等植物中也鑒定出了大量circRNAs，揭示出circRNAs在植物不同物種中是廣泛存在的。雖然我們已經發現了很多植物中的circRNAs，但是真實的數量遠遠不止這些。因為目前大部分研究植物circRNAs的方法都是來源於人類或其它動物的研究，這就可能造成忽視植物基因組的特性和植物circRNAs產生方式的不同。目前的研究表明，在動物中環狀RNA外顯子兩側翼的內含子中有大量的ALU和其反向互補重複序列，它們可以通過和內含子的配對競爭來調控外顯子的環化。但是在植物中很少有這樣的重複序列。對於水稻circRNAs的研究表明，只有10%的circRNAs有典型的GT/AG (CT/AC)剪切信號，大部分的circRNAs的兩端是非GT/AG。這就和動物中大部分是典型GT/AG不同。最近出現的PcircRNA_finder工具可以專門針對植物circRNAs進行研究，為未來發現更多植物來源的circRNAs提供了重要的支持。

植物circRNA的作用機制

a）miRNA 海綿(sponge)可能不是植物circRNAs的主要功能

目前有些研究表明circRNAs可以作為miRNA海綿，結合miRNAs來上調miRNA靶基因的表達 (圖2)。而只有很少量的circRNAs滿足作為miRNAs海綿的條件，這就說明作為miRNA海綿可能不是circRNAs的主要功能。

植物中miRNA起作用的主要方式是依靠與其靶基因序列互補來切割靶基因。miRNAs和其靶基因在第9位到11位的完全互補對於miRNAs有效切割靶基因是必須的。因此預測miRNA靶基因類似物 (mimics)，需要在第9位到12位之間有3個鹼基的凸出。但是這個凸出會降低miRNA和其靶基因類似物的親和性，減少了靶基因類似物的競爭力。要作為miRNA靶基因的類似物，就必須有足夠多的miRNA結合位點或者高表達水平的circRNAs來補償低親和性的影響。但是目前發現的植物circRNAs都沒有大量的miRNA結合位點，而且circRNAs的表達量都很低。在擬南芥中只有5%的circRNAs被預測是miRNAs靶基因類似物。

circRNAs二級結構可能會隱藏部分的miRNA結合位點，而在預測的時候也可能會預測過多miRNA結合位點。隨著越來越多的circRNAs被發現，對於circRNAs作為miRNA靶基因的功能會引起更多的重視。

b）植物circRNAs在應答生物和非生物脅迫過程中的作用

有研究表明circRNAs在各種脅迫條件下表達會發生變化。比如，在水稻低磷和多磷脅迫下有27個外顯子circRNAs表達發生變化。在乾旱脅迫下小麥中62個circRNAs表達發生變化。獼猴桃中的研究發現circRNAs對於病原的入侵有特異的應答反應。這些都說明了circRNAs參與了應答生物和非生物脅迫。

circRNAs有一個封閉的環狀結構，沒有自由的5』和3』端，也沒有poly(A)尾，因比線性RNAs更穩定，不容易被RNA核酸外切酶降解。某些circRNAs可能因為穩定性，可以作為應答生物和非生物脅迫的慢速調控因子。同時在動物中的研究發現circRNAs可以在外泌體中富集和穩定。外泌體是一個小的囊泡結構，包含很多蛋白、mRNA和非編碼RNAs，它們在某些特定細胞中可以被釋放到細胞外的微環境中，調控細胞的生命行為。

因此，植物circRNAs可能作為信號分子參與細胞之間信號傳遞和木質部韌皮部的長距離運輸。第一個發現的circRNA是來源於植物類病毒，這些類病毒circRNAs的不同結構域可以結合不同的RNA結合蛋白參與病毒細胞間和長距離的運輸。推測植物內源的circRNAs可能採取類似的方式參與信號傳遞。

c）circRNAs調控親本基因的表達

circRNAs的形成依賴於側翼RNA元件。側翼RNA元件可能對內含子環化非常重要。研究發現一些circRNAs定位在細胞核中，可以與通過cis或trans作用模式調控宿主的轉錄活性。擬南芥的一個來源於SEP3基因6號外顯子的circRNA可以結合到SEP3基因形成R-loop造成轉錄暫時停滯，而導致可變剪切過程跳過該外顯子，產生缺少該外顯子的轉錄本從而降低親本基因的表達。circRNAs的功能也和其亞細胞定位密切相關，對於circRNAs亞細胞定位的研究會對揭示circRNAs的生物學功能有重要意義。

圖2 植物中circRNAs的產生和調控機制

高通量測序技術和生物信息技術的迅速發展發現circRNAs在植物中廣泛存在，而且有較強組織表達特異性和參與脅迫響應，揭示circRNAs在植物生長發育中有重要的作用。在動物中的研究已經揭示出circRNAs的多種重要功能和作用方式，是否植物circRNAs有著同樣的分子機制需要更進一步的研究。另外一方面關於植物circRNAs的產生和降解機制亟待解決。circRNAs在其它植物種類中也需要進一步的研究。作為一個新的研究熱點，雖然circRNAs在植物中已經取得了一些進展，但是得到清楚和深入的產生、功能、調控機制等還有很長的路要走。

首發：一呼百諾 |公眾號ID：allfrombionova

原文：環狀RNAs（Circular RNAs)在植物體內的功能和調節網路

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