Mol Cell | 环状RNA触发无义介导的mRNA降解

导读

环状RNA（circRNAs）在基因表达调控中发挥多种作用，包括影响转录、剪接、mRNA和蛋白质丰度。

RNA-RNA相互作用可影响mRNA稳定性，例如，STAU1介导的mRNA降解（SMD）依赖于mRNA 3'UTR内或与长链非编码RNA形成的RNA双链。STAU1识别双链RNA并招募UPF1，触发SMD。

UPF1是无义介导的mRNA降解（NMD）的关键因子，NMD是一种真核细胞中研究最充分的mRNA监控机制，通过选择性降解含早终止密码子（PTCs）的错误mRNA，同时调控含NMD特征（如3'UTR中外显子连接复合体EJC）的天然mRNA，维持基因表达的准确性。

NMD是一个与翻译偶联的过程，新合成的mRNA的5'帽结构最初与核帽结合复合体（CBC）结合，运送至胞质后被eIF4E取代。在翻译中UPF1预先结合mRNA，与PTC处的核糖体相互作用，招募降解酶降解含PTC的mRNA。

2024年12月11日，韩国科学技术院Yoon Ki Kim团队在Molecular Cell上发表了一篇题为“Circular RNAs trigger nonsense-mediated mRNA decay”的论文，发现circRNAs通过与目标mRNA 3'UTR结合，触发EJC依赖的无义介导的mRNA降解，导致mRNA快速降解。通过人工设计circRNAs可下调目标mRNA，具备治疗的潜力。

文章索引

【IF】15.58

研究结果

一. CircRNA与mRNA的结合可下调mRNA水平

作者实验发现，带有反义序列的circRNA能够显著下调目标mRNA，而正义序列的circRNA则没有此效果。

反义寡核苷酸（ASOs）能够破坏circRNA-mRNA相互作用，进一步证实了这一机制。

去除反向重复序列会阻止circRNA的形成，从而减少mRNA下调作用。这些结果表明，circRNA通过RNA-RNA相互作用广泛调控mRNA水平。

二. mRNA降解的效率取决于circRNA与mRNA结合位点的位置和数量

作者研究了circRNA介导的mRNA降解的分子特征，结果显示circRNA主要通过与mRNA的3' UTR区域结合来实现mRNA降解。

circRNA与mRNA结合位点的位置、数量和连续碱基对的长度都影响降解效率，多个结合位点和较长的连续碱基对有助于提高降解效率。

此外，GC含量对降解效率的影响较小，而特定的碱基配对是降解的关键。

三. CircRNA介导的mRNA降解依赖于mRNA的翻译过程

circRNA介导的mRNA降解依赖于circRNA与mRNA 3' UTR的结合，翻译过程中的核糖体会将circRNA从mRNA的5' UTR或CDS区域排除，只有与3' UTR结合的circRNA才能有效降解mRNA。

四. CircRNA通过与mRNA的相互作用，与外显子连接复合体（EJC）结合，并将EJC带到接近mRNA的位置

大多数circRNA通过反向剪接产生，EJC与circRNA高度关联。实验表明，circG-AS30通过RNA-RNA相互作用招募EJC并促进RbG-S mRNA降解，EJC在此过程中起到关键作用。

五. CircRNA通过NMD机制触发mRNA的快速降解

作者发现circRNA通过与mRNA的3' UTR相互作用触发mRNA降解，依赖NMD途径。

下调NMD因子（如UPF1、SMG6）抑制了这种降解，其他细胞因子未显著影响，这个过程被定义为circNMD。

六. 内源性circRNA通过与mRNA的相互作用触发circNMD

为了寻找内源性circNMD的靶标，作者通过免疫沉淀（IP）和微阵列分析识别了299个poly(A)+ RNA和248个circRNA，它们在SMG6去除后显著富集。

利用RIC-seq，他们识别了94对circRNA和mRNA的相互作用。通过特异性siRNA下调circRNA，发现20个mRNA在配对circRNA下调后显著上调，表明这些mRNA是circNMD的内源性底物。

七. CircNMD对BCL2L11 mRNA的作用有助于细胞凋亡的调控

研究表明，circRNA hsa_circ_0002082和hsa_circ_0008496通过circNMD调控BCL2L11 mRNA，抑制细胞凋亡。

下调这两种circRNA或使用反义寡核苷酸（ASO）干扰其与BCL2L11 mRNA的相互作用，能显著增加BCL2L11 mRNA及其蛋白水平，并诱导细胞凋亡，表明circNMD在细胞凋亡中的关键作用。

八. 人工设计的circRNA能够引发内源性靶标底物的circNMD

作者设计的人工circRNA变体通过与BCL2L11 mRNA的3' UTR结合，诱导circNMD下调BCL2L11 mRNA，影响细胞凋亡。

同样，circG-ATG5变体下调了ATG5 mRNA，减少了自噬标志物LC3B-II的转化，表明circNMD可以作为基因沉默的有效手段。

总结

本研究发现，环状RNA通过与mRNA的3' UTR相互作用，促进其快速降解，进而引发EJC依赖的无义介导mRNA降解（circNMD）。此外，外源性circRNA能显著下调内源性mRNA水平，提供了circNMD作为选择性mRNA降解的潜在治疗应用的分子证据。

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