揭秘环形RNA的“生老病死”与“独门秘诀”｜上海市科学技术奖
转自：上观新闻
2022年度上海市科学技术奖
强国复兴有我
优秀创新成果展示
今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。
本期“档案”大揭秘
项目名称：环形RNA生成和功能机制的研究
完成单位：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心 等
完 成 人：陈玲玲 等
奖励等级：自然科学奖一等奖
后基因组时代的大数据分析发现人类转录组中存在大量的非编码RNA，包括数以万计具有基因表达调控潜能的长非编码RNA（长度>200个核苷酸）及经特殊加工产生的环形RNA等。环形RNA是一系列单链、共价、具有闭环结构RNA分子的统称。与经典的编码和非编码线性RNA不同，环形RNA具有特定的生成加工、表达分布、降解代谢及功能发挥的途径与规律；在免疫调控、肿瘤代谢、神经紊乱、生殖发育等多个生理和病理过程中发挥重要功能，并在疾病诊断与治疗方面显示了巨大的应用前景。然而，国际上对环形RNA的精细生成代谢调控及生物学功能和机制认识不清。因此，全面揭示环形RNA的代谢调控与功能发挥是国际RNA研究领域的前沿热点之一，也是环形RNA新型生物医学技术和药物研发等迭代应用的创新源头。
之前普遍认为长非编码RNA产生机制与mRNA类似，也具有3'-多聚腺嘌呤（polyA）尾巴序列。转录组是否蕴含新型长非编码RNA家族？它们具有怎样的加工规律？发挥什么特定生物学功能？中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲研究员带领的非编码RNA研究团队，通过开发一系列创新技术体系应用于环形RNA的前沿探索，发现了内含子来源环形RNA新家族、外显子来源环形RNA可变环化及普遍存在，突破了环形RNA与线性RNA序列同源的研究瓶颈、阐明环形RNA生成、折叠、降解等全生命周期过程中的调控规律。在此基础上，陈玲玲研究员带领团队进一步揭示环形RNA参与天然免疫调控及机制；并发现环形RNA参与天然免疫调控的通路在自身免疫病人中失调，而引入环形RNA可作为治疗自身免疫性疾病的一种潜在手段（图1）。生物医药是上海战略性新兴产业的重要支柱，也是上海三大先导产业之一。陈玲玲团队的一系列国际领先的原创研究成果系统揭示了环形RNA生成新机制及其在天然免疫调控中的重要功能，受到国内外同行的广泛关注与认可，为疾病诊治和干预提供新靶标，推动环形RNA前沿研究方法和使能技术的新发展，为环形RNA生物医学技术的开发提供创新方案。
图1. 环形RNA生成、折叠、降解、功能及调控机制
01 揭秘内含子来源环形RNA、
外显子来源环形RNA的生成规律
通过创建无polyA尾RNA研究新体系，陈玲玲团队发现了大量以前不为人知的无polyA尾RNA表达信号，其主要定位于内含子和外显子区域，为突破“内含子序列不稳定应当检测不到信号”的领域固有概念提供了有力证据。
“对于任何一类新的分子，研究手段不一样，研究思路不一样，所以挑战很多。”陈玲玲研究员说。团队在人细胞中发现几百个源自内含子的环形RNA，这类内含子来源环形RNA在结构和概念上都是一类新型非编码RNA，改变了人们对内含子不能稳定存在的观念，并证明了内含子环形RNA参与转录调控的重要功能，实现了理论创新。同时，陈玲玲团队创建全新计算分析新体系（CIRCexplorer）开展针对外显子反向剪接的数据挖掘，在人细胞中发现了近万条外显子来源的环形RNA，论证了不同区域间内含子互补序列竞争性配对所导致的环形RNA与线性RNA互斥加工及可变环化现象。该工作揭示外显子环化机制，发现其在细胞基因组表达中具有普遍意义，并以全新视角揭示高等动物基因表达在转录/转录后水平调控的复杂性和多样性，为深入研究环形RNA生成加工、调控及应用奠定理论基础并提供技术支持。
02 揭示环形RNA生成速率
及稳定性好的机制
由于环形RNA特殊的闭合环结构，其生成和代谢调控的特殊性是领域内持续关注的焦点之一。“因为这些RNA与以往已知的所有的RNA都不一样，它们是环形的，没有头也没有尾，所以使得人们有这么一个好的平台和机会，去了解或者去发现全新的环形RNA的代谢与功能”陈玲玲研究员说。团队通过发展新生转录本监测环形RNA生成与RNA聚合酶II转录的动态耦联过程，首次证实细胞内反向剪接RNA成环与正常的顺序剪接相比效率非常低，且大多发生在转录后水平，提示外显子RNA成环效率与其所在基因的RNA聚合酶II转录速度相耦联。陈玲玲团队还证明，尽管环形RNA在转录水平产生效率较低，但稳定性好，通过累积效应可以达到较高表达水平。该研究阐释了环形RNA生成速率、稳定性及产生与转录的关系，为深入研究其功能和潜在应用奠定基础。
03 解码环形RNA折叠与降解的规律，
及其独特的应用前景
“由于环形RNA与同源线性RNA在一级序列上完全一致的这一研究瓶颈，如何精准区分环形RNA不同于其同源线性RNA的功能一直是领域的研究难点和突破点”陈玲玲研究员说。团队通过系统阐明环形RNA生成的反式作用因子、折叠和降解的规律，创新性地将环形RNA的生成与作用机制相耦联，揭示其全新功能并与自身免疫病密切关联。
通过创建可翻译的环形RNA双荧光报告体系开展全基因筛选，陈玲玲团队发现逾百个可调控与环形RNA生成加工的蛋白质，包括调控抗病毒免疫的NF90/NF110等。值得一提的是，无论是内源还是体外表达的环形RNA都可以结合NF90/NF110并发挥功能，首次揭示环形RNA参与免疫调控的新机制。
陈玲玲团队进一步发现环形RNA在细胞被双链RNA病毒感染时可被核酸内切酶RNase L主动降解的新代谢调控，并深入通过创建针对环形RNA二级结构研究的实验和计算分析新体系，发现环形RNA形成16-26 bp双链茎环结构、并以此为基础结合天然免疫因子PKR的特性。而当细胞被病毒感染时，环形RNA被核酸内切酶RNase L快速降解、进而释放PKR参与细胞的天然免疫炎症反应。进一步分析发现，环形RNA在SLE病人体内普遍低表达且PKR异常激活；而增加环形RNA的表达则可以显著抑制SLE病人来源外周血单核细胞和T细胞中PKR信号通路的过度激活。该工作首次揭示环形RNA折叠和降解新机制及其参与天然免疫调控的新功能，为利用环形RNA开展自身免疫疾病的诊疗研究提供了新理论基础和分子模型。
陈玲玲团队是国际上最早从事环形RNA研究的团队之一（图2），并在该领域持续取得系统性的原创成果，她多次受邀在RNA为主题的国际会议做大会特邀报告；受邀在期刊Nat Rev Mol Cell Biol、Mol Cell、Annu Rev Cell Dev Biol、Cell等国际顶级期刊总结环形RNA领域前沿进展；基于项目陈玲玲团队在环形RNA生成代谢与天然免疫调控和自身免疫病等领域做出的重要贡献，国际RNA学会授予她2021年度“Mid-Career Research Award”（该奖项首次授予中国科学家）。
图2. 陈玲玲研究员指导学生实验
“环形RNA代谢如何精准调控免疫应答，是当前亟需阐明的前沿基础科学问题”陈玲玲研究员说。未来的工作中，陈玲玲团队会继续围绕我国经济与社会发展的重大战略需求和重大科技问题，结合环形RNA研究的前沿发展态势，围绕环形RNA代谢异常和功能发挥规律开展基础性和前沿性的探索研究，以期增强我国在生物大分子研究的核心竞争力，并有望推广到其他类型RNA分子，为我国RNA生物医药等方面的发展提供理论源头和技术支撑。
