Circular RNA的產生機制、功能及RNA-seq數據鑑定方法

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【Circular RNA的產生機制】

Circular RNA，縮寫爲circRNA，中文名爲環狀RNA，屬於非編碼RNA，是近年的一個重要研究熱點。

CircRNA主要是經過backsplicing的方式產生，明顯不一樣於線性RNA（linear RNA）經典的5′–3′的模式。所以，circRNA不含有線性RNA的經典結構，如5′端加帽，3′端有poly A尾巴等，而是造成了一個環狀。

CircRNA按照含有的外顯子和內含子模式，主要能夠分爲如下四類：

1）單外顯子circRNA，single exon circRNA；

2）多外顯子circRNA，multi-exon circRNA；

3）外顯子和內含子共存的circRNA，exon-intron circRNA；

4）內含子circRNA，intronic circRNA；

具體以下圖所示：

CircRNA的四種主要類型示意圖（圖片來源：Greene et al. Frontiers in Molecular Biosciences, 2017）

 

CircRNA的表達模式多樣且複雜（具體以下圖所示）。好比GCN1L1基因產生的circRNA在人類中明顯表達，但在小鼠中卻不多表達（以下圖B所示）。並且，circRNA的剪接模式多樣，其中，alternative back-splicing有5′端和3′端兩種模式，alternative splicing模式有Cassette exon，Alternative 5' splicing，Intron retention和Alternative 3' splicing四種不一樣模式（具體以下圖C所示）。

CircRNA表達模式的複雜性（圖片來源：Li et al. Molecular Cell, 2018）

 

【Circular RNA的生物學功能】

愈來愈多的研究代表，circRNA具備多種重要的功能，且與各類疾病特別是癌症的發生、發展密切相關。其中，circRNA發揮功能的兩種常見模式，是做爲miRNA和RNA綁定蛋白（RNA binding protien，RBP）的sponges（具體以下圖所示）。

CircRNA做爲miRNA和蛋白的sponges示意圖（圖片來源：Greene et al. Frontiers in Molecular Biosciences, 2017）

 

除此以外，circRNA還有其餘重要的潛在功能，如可翻譯產生蛋白（以下圖VI所示）、假基因的產生來源（以下圖VII所示）、做爲潛在生物標誌物（以下圖VIII所示）。因此，circRNA具備很是多樣的生物學功能，這也奠基了其重要的研究地位。

CircRNA的各類潛在功能機制示意圖（圖片來源：Li et al. Molecular Cell, 2018）

 

【Circular RNA與疾病特別是癌症的關係】

目前，已經有不少研究代表，circRNA與各類疾病特別是癌症的發生發展密切相關。以下面Table 1所示的一些circRNA能夠做爲miRNA的sponges，且在特定的腫瘤中起到了腫瘤抑制基因或致癌基因的功能。

一些在腫瘤中起到腫瘤抑制基因或致癌基因功能的circRNA（Greene et al. Frontiers in Molecular Biosciences, 2017）

 

下表還顯示了，一些已報道的與局部缺血性心臟病、阿爾茲海默症、糖尿病相關的重要circRNA，它們的具體做用機制可見下面的Table 2所示。

CircRNA在局部缺血性心臟病、阿爾茲海默症、糖尿病中具備重要的功能（Greene et al. Frontiers in Molecular Biosciences, 2017）

 

此外，已有的研究還報道了circRNA與各類人類癌症密切相關，在相應的癌症中，這些circRNA的表達顯著上調或顯著下調。這些癌症包括：Gastric Cancer，Colon Cancer，Bladder Cancer，Hepatocellular Cancer，Oesophageal Cancer，Lung Cancer等。具體以下面的Table 3所示。

一些已知的circRNA與各類人類的癌症緊密相關（Greene et al. Frontiers in Molecular Biosciences, 2017）

 

【Circular RNA的RNA-seq鑑定及實驗驗證方法】

CircRNA能夠經過RNA-seq技術進行大規模的鑑定。由於circRNA不含有poly A尾巴，因此circRNA主要富集在沒有ploy A尾巴的RNA中，建議使用poly (A)- RNA-seq技術或 用RNase R降解線性RNA後的poly (A)- RNA-seq技術（具體以下圖A所示）。傳統的poly (A)+ RNA-seq技術主要富集了線性的RNA；而ribo- RNA-seq技術，主要只去除了核糖體RNA（rRNA）。

進行RNA測序後，就可使用生物信息學工具或方法在全基因組範圍內鑑定circRNA。目前基於RNA-seq測序數據鑑定circRNA的方法主要是經過檢測是否有read能匹配到back-splicing junction (BSJ) site，即circRNA的首和尾鏈接處的序列（具體以下圖A中的右圖所示）。​

基於RNA-seq數據鑑定出circRNA後，若是想進一步確認鑑定結果的可靠性，還可經過實驗來驗證預測的circRNA。如經過PCR、Northern blot或RNA FISH等（具體以下圖B所示）。

CircRNA的生物信息學鑑定（A）和實驗驗證方法（B）（圖片來源：Li et al. Molecular Cell, 2018）

 

至今爲止，已經有衆多軟件相繼被開發出來基於RNA-seq數據鑑定circRNA，這些軟件使用的方法主要能夠分爲如下三大類：

1）Indirect and Multi-Stage Approaches；

2）Approaches Directly Employing Chimeric Reads；

3）Tools Using Statistical Approaches。

 

下表列出了一些基於RNA-seq數據鑑定circRNA的主要軟件：

基於RNA-seq數據鑑定circRNA的一些主要軟件信息（圖片來源：Jakobi et al. Wiley Interdiscip Rev RNA, 2019）

 

並且，目前已有多個關於circRNA的數據庫可供你們使用，這些數據庫中含有了豐富的circRNA信息，包括circRNA-miRNA相互做用、circRNA-RBP相互做用等（具體以下表）。

關於circRNA的一些重要數據庫信息（圖片來源：Jakobi et al. Wiley Interdiscip Rev RNA, 2019）

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