几十年前，生物学家们就发现了一种不寻常的分子——环状RNA（circRNA）。与线性RNA相比，环状RNA更为难以研究。举例来说，环状RNA很难与其它RNA区分开，扩增或片段化会破坏RNA环，而且早期RNA测序的分析算法会过滤掉环状RNA的标志性序列。近年来，环状RNA得到了越来越多的关注，但它们在生物体内的功能一直是个谜。
近日，德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心科学家发现，一种名为“Cdr1as”的环状RNA可以控制哺乳动物大脑中的miRNA水平，对其进行敲除会导致小鼠神经活动异常和行为障碍。相关研究结果于近日发表在著名学术期刊《科学》。
布兰迪斯大学的神经学家Sebastian Kadener谈道：“很少有论文能真正称得上是重大突破，但这篇论文真的很令人兴奋。这是第一次真正揭示了动物环状RNA的体内功能。”他也是一位环状RNA的研究者，虽然没有参与这项工作，但这一最新研究成果也让其振奋不已。
因为技术和方法学问题，环状RNA曾一度被视为罕见的剪切错误。2013年，德国马克斯-德尔布吕克分子医学中心的Nikolaus Rajewsky研究团队曾开创性对环状RNA进行了研究，使得环状RNA的神秘世界展现于世人面前。
他们发现，大多数环状RNA是非常稳定的，可在细胞质中连续地漂浮几个小时甚至几天。Rajewsky团队提出环状RNA至少有时发挥着基因调节的作用。Cdr1as是一种在哺乳动物大脑中高度表达的环状RNA，也是迄今为止最具特色的环状RNA。作为一种较大的单链环状RNA，Cdr1as有大约1500个核苷酸，可能发挥着像海绵那样吸收miRNA的作用。比如，它为一种被称作miR-7的miRNA提供70多个结合位点。
在近日发表的最新研究中，Rajewsky的研究团队利用了此前开发的一种技术探索了miRNA和其他分子之间在机体内的相互作用。通过对小鼠和人类死亡的脑组织进行研究，研究小组发现了两种miRNA与Cdr1as有着密切的联系，分别为“miR-7”和“miR-671”。
随后，研究人员使用CRISPR-Cas9敲出了小鼠的基因位点，并制造出了Cdr1as缺陷突变体。Rajewsky表示，虽然基因敲除动物表面正常，它们可以存活并具有正常的繁育能力，且大脑解剖没有显示出明显的变化。但团队发现，在Cdr1as本应正常表达的大脑区域，miRNA水平发生了明显变化。miR-671出现了轻微的提高，而miR-7水平显著降低。这些变化是转录后发生的，这就与Cdr1as通常与细胞质中的这些miRNA相互作用的观点相一致。
由于miRNA在调节信使RNA中起着重要作用，研究人员下一步对Cdr1as敲除小鼠中基因表达的变化进行了观察。他们发现，基因敲除小鼠表达了一组与大脑活动相关的基因，名为“即早基因（immediate early genes，IEG）”。与这种基因表达的变化相一致，研究人员在观察中发现，基因敲除小鼠确实表现出了神经元活动的异常。此外，对神经元的单细胞分析显示，与对照组相比，敲除小鼠的神经突触电流的频率增加了一倍以上，这是神经传导紊乱的标志。
Rajewsky说，“这表明Cdr1as通常通过吸收miR-7而让它保持稳定或运送它，而miR-167可能起着调节这种特定circRNA水平的作用。”如果miR-7在细胞中漂浮着，不能够结合任何地方，那么它将作为废弃物被降解。这种circRNA阻止这种情形发生，也将它携带到新的地方，如突触。他补充道，“我们可能不应将Cdr1as比作为海绵，而应将它比作为船。它阻止它的乘客溺水，同时也将它们带到新的码头。”
最后，研究小组进行了一系列实验，以寻找Cdr1as缺失的行为后果。虽然基因敲除小鼠表现出正常的焦虑水平且没有明显的记忆缺陷，但研究人员发现，这些小鼠在震惊反射实验中表现不佳，不能降低它们对噪声等外来信号作出的反应，如突然的噪音。
Rajewsky解释说：“这是一种防止你在一个嘈杂环境中崩溃的机制，对于任何类型感觉运动的反应，这都是至关重要的。在人类身上，这种机制的缺陷通常与精神分裂症、Tourette综合征和强迫症有关，这阐明了Cdr1as缺失的最终后果。”
斯坦福大学的RNA研究员Julia Salzman称这篇论文是“一项令人着迷的重要研究，也是该领域的一个巨大进步。”除了探索Cdr1as功能的更多机制，Rajewsky还表示，该团队计划对其他基因在敲除小鼠中失调的机制进行研究。此外，这项研究也为研究Cdr1as和其它环状RNA在分子、神经和行为表型方面打下了基础。
参考资料：
Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function，doi:10.1126/science.aam8526
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