Mol Cell | 环形RNA在神经发育中的研究

导读

环状RNA（circRNA）由前体mRNA的外显子反向剪接产生，具有独特的细胞功能。与mRNA不同，circRNA的生成、结构和降解存在差异，且主要定位于细胞质中，需通过RNA结合蛋白（RBP）重塑出口。

新转录的前体mRNA通过招募RBP形成mRNP颗粒，经转录-出口（TREX）复合物识别，并通过核孔复合物（NPC）出口。TREX组分DDX39A和DDX39B、剪接因子SRSF1等都被发现调节circRNA出口。然而，调节circRNA亚细胞分布的其他因素以及其出口是否存在上下游序列依赖仍然不明确。

在哺乳动物大脑中，circRNA在神经发生期间上调，因神经元分裂缓慢导致积累，并在神经功能中起重要作用。例如，A）丢失circRNA Cdr1as会导致小鼠感觉运动控制受损；B）某些circRNA与突触形成和神经可塑性有关，circGRIA1在年龄和性别特异性表达中增加。

鉴于RNA的亚细胞分区通常与功能相关，解剖circRNA在神经元分化过程中的亚细胞定位可能为理解其功能潜力提供线索。

2024年6月4日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲团队在Molecular Cell上发表了一篇题为“Altered nucleocytoplasmic export of adenosine (A)-rich circRNAs by PABPC1 contributes to neuronal function”的论文，文章发现滞留在细胞核中的circRNA含有腺苷（A）富集的特点，研究了其转运调控的分子机制，并揭示了其动态定位并参与翻译调控和突触的生长。

文章索引

【标题】Altered nucleocytoplasmic export of adenosine (A)-rich circRNAs by PABPC1 contributes to neuronal function

【发表期刊】Molecular Cell

【发表日期】2024年6月4日

【作者及团队】中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲团队

【IF】15.58

研究结果

一. 富含腺苷（A）的环状RNA倾向于在H9细胞核中滞留

作者分析了H9细胞中circRNA、mRNA和lncRNA的表达和定位，发现circRNA在细胞核中的滞留率是mRNA的三倍。

核内circRNA富含腺苷（A），而胞嘧啶和鸟苷含量较低，且外显子数量较多。

分析显示，这种（A）丰富特征在小鼠胚胎干细胞中也存在，但在K562和HEK293T细胞中没有，表明这是多能干细胞特有的现象。

二. 富含腺苷（A）的环状RNA在前脑神经元分化过程中的输出

作者研究了这些circRNA在前脑神经元分化过程中的变化。在分化后的FB神经元中，大部分这些circRNA从核转移到了细胞质。这种重新定位可能与circRNA中的(A)富集有关。

三. PABPC1调节H9细胞中circRNA的核限制

作者研究了在H9细胞和分化过程中的circRNAs，其中一些被预测与PTBP1、HNRNPF、PABPC1和IGF2BP3等蛋白质相互作用。

通过减少这些蛋白质的表达，他们发现PABPC1的缺失导致circRTN4等(A)富集circRNAs的核/细胞质比例显著降低。

重新引入PABPC1则部分恢复了这些circRNAs的亚细胞重分布。这表明PABPC1是调节H9细胞中(A)富集circRNA核保留的重要因素。

四. PABPC1直接与(A)富集的circRNAs相互作用以调节其定位

PABPC1是一种多聚腺苷酸结合蛋白，通过其四个RNA识别结构域（RRMs）与(A)富集的circRNAs直接结合，调节其核内滞留。

Madrasin处理后，PABPC1从细胞质转移至细胞核，进一步表明其在RNA穿梭中的作用。

实验显示，添加(A)富集的motif使原本位于细胞质的circRNAs滞留在核内，而删除这些motifs则使核内circRNAs转移至细胞质，说明PABPC1与(A)富集motifs的结合是circRNAs核内定位的关键。

五. PABPC1和(A)富集的circRNAs在细胞核中被TPR捕获

作者假设核内的PABPC1与核孔复合体(NPC)成分相互作用，从而限制(A)富集的circRNAs处于H9细胞核内。

实验证实了PABPC1与TPR之间的相互作用，并且这种相互作用受RNA的依赖性影响。TPR的缺失导致(A)富集的circRNAs被释放到胞质中，而其线性对照则不受影响。这表明TPR通过与PABPC1相互作用，捕获(A)富集的circRNAs在H9细胞核内。

六. PABPC1-TPR足以防止(A)富集circRNAs的输出

尽管PABPC1主要存在于细胞质中，但在H9核中的数量仍然足够，可以与(A)富集circRNA发生相互作用。根据作者的估算，H9细胞核中PABPC1和TPR的数量足以维持这种交互作用，从而阻止其输出。

七. PABPC1-TPR是H9细胞中(A)-富集circRNA输出的额外监测

作者探究了(A)富集circRNA是否受特定路径的影响，以及与mRNA输出相关的因子对其是否起作用。

在SHSY5Y细胞中，他们发现失去某些因子会导致(A)富集circRNA在细胞核中积累。与非(A)富集circRNA相比，这些因子对(A)富集circRNA的影响类似。然而，H9细胞中，PABPC1-TPR机制额外监测着(A)富集circRNA的输出。

八. 分化后核内PABPC1减少促进(A)富集circRNA的输出

神经细胞中PABPC1总量减少约三分之一，核内PABPC1下降。此时，PABPC1无法与TPR相互作用。

使用Madrasin处理细胞后，(A)富集circRNA如circRTN4和circMAN1A2的核内滞留显著增加。

九. 强制在H9细胞质中表达(A)富集circRNAs影响mRNA翻译

考虑到PABPC1在翻译过程中与mRNA多聚腺苷酸尾巴结合的关键作用，(A)富集环状RNA的核内限制可能会防止其与mRNA在细胞质中竞争PABPC1的结合，从而支持干细胞增殖所需的充分翻译。

作者通过引入低剂量的(A)富集环状RNA到H9细胞质中，来进行验证。结果显示，递送后环状RNA增加了400到700倍，(A)富集环状RNA组的蛋白表达减少了20%-30%。这表明(A)富集环状RNA可能通过与PABPC1结合抑制翻译。

十. 被重新定位到细胞质的circRTN4(2,3)促进了神经突的生长

导出的(A)富集环状RNA在分化中发挥作用，特别是circRTN4(2,3)。circRTN4(2,3)在神经元中表达，其消耗导致神经突生长缩短，而其他(A)富集环状RNA则没有这种影响。circRTN4(2,3)不被翻译，其缺失导致与神经发育相关的基因的下调。

总结

本文通过比较H9细胞和衍生的前脑神经元中的核内和细胞质circRNA，发现一部分富含腺嘌呤（A）的circRNA最初局限在H9细胞核中，但在分化过程中被导出到细胞质中。改变circRNA中的富含（A）的结构元素会改变其定位，将富含（A）的circRNA引入H9细胞质中会抑制mRNA的翻译。

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