Science公布重要新突破：首次发现环状RNA的体内功能

近年来，环状RNA（circRNAs）已经成为了RNA领域最新的研究热点，但它们在活体生物中的作用依然是一个迷。最新一项研究报告称，一种环状RNA：Cdr1as能调控哺乳动物大脑中的microRNA水平，如果删除这种RNA，就会导致小鼠出现异常的神经元活动和行为障碍。

　　——缺少这种RNA的小鼠会出现大脑中miRNAs失调，突触传导受扰，神经精神障碍相关的行为异常等症状

生物通报道：近年来，环状RNA（circRNAs）已经成为了RNA领域最新的研究热点，但它们在活体生物中的作用依然是一个迷。最新一项研究报告称，一种环状RNA：Cdr1as能调控哺乳动物大脑中的microRNA水平，如果删除这种RNA，就会导致小鼠出现异常的神经元活性和行为障碍。

这一研究成果公布在8月10日的Science杂志上。

美国布兰迪斯大学的一位circRNA研究员Sebastian Kadener（未参与该项研究）表示，“几乎很少有成果可以称得上是一项突破。这篇文章就是一项突破，令人激动，这是第一次真正证明动物体内这些分子的功能。”

CircRNA是近年来RNA领域最新的研究热点。它是前体RNA（pre-mRNA）通过一种叫做反向剪接反应（back-splicing）的特殊选择性剪接产生，在真核细胞中广泛表达的环形内源性RNA分子。尽管被低效地加工，大多数呈低水平表达，但研究发现一些circRNAs源自与人类疾病相关的基因组位点，而且有越来越多的证据表明它们在转录、转录后及翻译调控中的潜在作用。

Cdr1as是一种在哺乳动物大脑中大量表达的环状RNA，也是目前研究的最多的几种环状RNA之一。最早Cdr1as就是由德国MaxDelbrück研究中心的Nikolaus Rajewsky（本文作者）及其同事在2013年报道，他们指出这种分子可以作为miRNA的“吸收棉”，因为它有超过60个miRNA miR-7的结合位点，不过其具体作用依然不清楚。

之后的研究又发现Cdr1as能从DNA的反义链转录，并且没有多余的对应表达物，因此可以通过诸如CRISPR-Cas9之类的DNA编辑工具进行功能缺失型研究，“这非常吸引人，这样就能操控DNA，在功能水平上看到环状DNA缺失后的应答。”

在最新这项研究中，Rajewsky等人首先利用一种之前研发的技术发现了miRNAs和其它分子之间的体内相互作用。研究人员采用小鼠和人类死后大脑，结果表明miR-7，以及另外一种miRNA：miR-671（较少）都能与Cdr1as结合。

之后研究人员通过CRISPR-Cas9删去小鼠中的这一位点，获得了Cdr1as缺陷型突变体。虽然敲除动物从外表看是正常的——它们能动，能繁殖，并且在脑解剖学中都没有出现明显的变化，但是研究小组检测发现Cdr1a一般正常表达的大脑区域中游离miRNA表达水平发生了改变：miR-671略微增加了一些，而miR-7显著减少，这表明环状RNA的作用可能是阻止这种miRNA的降解，Rajewsky指出。

miRNAs在动物体内具有调节mRNA的作用，因此研究人员接下来分析了Cdr1as缺陷型动物中基因表达的变化。结果发现敲除小鼠中与大脑活性有关的，一组被称为“立早基因（immediate early genes）”的表达发生了改变。这种基因受到一系列外界刺激后会迅速并且短暂激活，研究人员发现其中几个是miR-7的靶标。

Rajewsky说：“我们知道，神经元活性的标志之一就是立早基因的上调。在敲除小鼠的大脑中，很清楚，立早基因都增多了”。

敲除小鼠出现了神经元活性的异常。此外单细胞分析还显示，与对照相比，敲除小鼠出现了超过两倍以上的微小兴奋性突触后电流频率，这是神经传递紊乱的征兆。

最后研究人员通过一系列实验，寻找Cdr1as缺陷造成的行为后果。虽然敲除小鼠表现出正常的焦虑水平，而且也没有明显的记忆缺陷，但研究人员发现它们在脉冲前抑制实验（prepulse inhibition experiments）中表现不佳，这是测量动物对厌恶刺激的惊吓反应的抑制能力。

Rajewsky解释说，如果人体的的这种机制受到损坏，通常会与神经精神障碍症如精神分裂症，Tourette综合征和强迫症产生关联，这提出了Cdr1as在行为中的最终作用。

斯坦福大学的RNA研究员Julia Salzman称这篇论文是“一项非常吸引人的重要研究，为该领域取得了巨大的进步”。

下一步Rajewsky团队计划分析在敲除小鼠中其它失调基因的作用，例如，Cdr1as缺陷型动物中一些昼夜节律基因的表达发生了改变。

科学家们认为，这项研究为研究Cdr1as和其它环状RNA在分子，神经和行为表型方面打下了基础，“虽然目前还不完善，但是这毕竟是第一次将这三者联系在一起。”

（生物通：万纹）

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原文检索；

M. Piwecka et al., “Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function,” Science, doi:10.1126/science.aam8526, 2017.