撰文 | 格格
RNA-RNA互作在RNA介導的多種生物學過程中扮演著關鍵角色，包括RNA的產生、剪接、翻譯和降解等【1】。circRNAs（Circular RNAs） 透過反向剪接產生，其生成過程依賴於RNA-RNA 互作，尤其是內含子中互補或反向序列之間的長距離配對【2】。circRNAs在基因表達調控中具有多樣性，可以與RNA結合蛋白 （RBPs） 或其他轉錄本相互作用，影響轉錄、剪接、mRNA和蛋白質丰度，並作為miRNA或蛋白質海綿發揮作用【3-4】。RNA降解是維持基因表達忠實性的重要機制，主要有SMD （Staufen1介導的mRNA降解） 和NMD （無義介導的mRNA降解） 兩種機制【5】。SMD依賴於mRNA 3’UTR內部或與之間的RNA雙鏈結構。NMD依賴於核糖體在PTC （提前終止密碼子） 處與UPF1的相互作用，UPF1會募集 RNA降解酶和適配體，導致mRNA的快速降解。NMD是真核細胞中已知最明確的mRNA 監控途徑，透過選擇性識別和下調包含PTC的mRNA來維持基因表達的忠實性。NMD過程主要涉及核糖體、帽子結合複合物 （CBC） 、外顯子拼接複合體 （EJC） 和UPF1等因素。然而，circRNAs是否參與mRNA的降解目前尚不清楚。
近日，來自韓國科學技術學院生物科學系的Yoon Ki Kim研究團隊在MolecularCell雜誌發表題為Circular RNAs trigger nonsense-mediated mRNA decay的研究論文，該研究揭示了circRNA透過與mRNA的3’UTR 相互作用，將EJC帶近mRNA的3’端，從而觸發EJC依賴的NMD（circNMD），導致mRNA快速降解的分子機制。
研究人員首先構建了表達線性報告mRNA和效應circRNA的質粒，並透過RT-qPCR發現 circG-AS21和circG-AS30可以顯著降低報告mRNA的水平，而circG-S21和circG-S30則相反，這表明circRNA與mRNA的選擇性相互作用可以降低mRNA水平。進一步使用AMT 交聯和MBP pull down實驗，證實了circRNA與mRNA的特異性相互作用。為了驗證 circRNA-mRNA 相互作用的重要性，研究人員設計了ASO干擾circG-AS30與RbG-S mRNA 之間的相互作用，發現ASO處理可以消除circG-AS30介導的RbG-S mRNA降解，而不會影響circRNA的表達。此外，研究人員還發現circRNA的產生依賴於迴文序列。透過RIC-seq資料分析，研究人員發現41個circRNA與60個mRNA發生相互作用，其中24個 circRNA與28個mRNA的3’端發生相互作用。為了進一步驗 circNMD的存在，研究人員設計了circRNA特異siRNA和針對BCL2L11 mRNA 3’端結合位點的ASO，發現siRNA處理可以降低circRNA的表達，而ASO處理可以降低BCL2L11 mRNA的水平，這進一步證實了 circNMD的存在。
為了研究circRNA介導的mRNA降解的效率，研究人員構建了不同位置的circG-AS30結合位點，發現circG-AS30只在mRNA的3’非編碼區與報告mRNA發生相互作用，並且可以顯著降低報告mRNA的水平，而其他位置的結合位點則沒有這種效果。這表明circRNA與 mRNA 3’端的相互作用是circNMD發生的必要條件。此外，研究人員還構建了circG-AS30 結合位點數量不同的報告mRNA質粒，發現circNMD效率隨著結合位點數量的增加而提高。進一步構建circG-AS30結合位點數量不同的circG變體，發現circNMD效率隨著結合位點數量的增加而提高，這表明circRNA與mRNA 3’端的多個鹼基配對可以增強circNMD的效率。
為了進一步研究circRNA介導的mRNA降解是否依賴於翻譯過程，研究人員使用翻譯抑制劑CHX 處理細胞，並發現CHX處理可以消除circRNA-mRNA相互作用和circNMD的發生。這表明翻譯過程會將circRNA從mRNA上移除，從而阻止circNMD的發生。
最後，研究人員發現，circRNA可以與EJC相互作用，並透過RNA-RNA相互作用將EJC帶近mRNA的3’端。為了驗證這一過程，研究人員構建了包含外顯子內含子的circG變體，發現EJC可以透過RNA-RNA 相互作用降低 mRNA 水平。這表明EJC可以透過RNA-RNA相互作用與mRNA結合，並參與circNMD的發生。
圖1 circRNA介導mRNA降解的機制模式圖
總之，該研究揭示了circRNA透過其與目標mRNA 3’UTR的相互作用，可以觸發NMD途徑，從而快速降解mRNA。該發現為circRNA在mRNA穩定性調控中的功能提供了新的見解，併為其在基因沉默和疾病治療中的潛在應用打開了大門。
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(24)00947-X
製版人：十一
參考文獻
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