Circular RNA: functions, applications and prospects

Introduction

Circrna (Circrna) havaittiin RNA-viruksissa viroideina 70-luvun puolivälissä . Kiitos edistymisen laskennallisen analyysin ja RNA sekvensointi tekniikoita samalla vuosikymmenellä, nämä väärinymmärretty Pyöreä rakenteet on vihdoin tunnustettu oikein ja syvästi sekä rakenne ja toiminnallisuus . Sisimmässään circRNA on yksijuosteinen RNA, mutta se eroaa paljon paremmin tunnetusta lineaarisesta RNA: sta siinä , että se sulkeutui jatkuvasti itseensä liittämällä kovalenttisesti 5′ ja 3′-päitään, mikä esittää joitakin kiehtovia ominaisuuksia, joita ei ole täysin tutkittu: proteiinikompleksi rakennustelineet, vanhempien geenimodulaatio, RNA-proteiinin vuorovaikutukset ja mikroRNA (miRNA) sieni, vain muutamia mainitakseni . Niiden katsotaan nykyään tarjoavan olennaisen sääntelytehtävän niin kasveille kuin eläimillekin . Yhä useammat tutkimusryhmät ovat osoittaneet ja todentaneet siinä määrin, että kiertokirjeissä esitetty tehokkuus ja vaikuttavuus on tyypillisesti tarpeen toteuttamiskelpoisissa lääketieteellisissä hoidoissa ja muissa bioteknisissä sovelluksissa. Esimerkiksi tapauksia, joissa perinteiset biomarkkerit ovat ylittäneet huomattavasti ehdotetut circRNA-korvaavat aineet, raportoidaan usein. Tukena kasvava tuki ja todisteet promosing valmiuksia circRNAs, enemmän tutkimusta ja kiinnostusta olisi tuotava esiin sellaisenaan, ei pelkästään perus kattava biologinen ymmärrys sen rakenteita ja mekanismeja, mutta myös systemaattinen tasolla niiden vuorovaikutusta ympäröivien molekyylien ja ympäristöjen. CircRNAs-hoitojen potentiaali ja elinkelpoisuus syövän ja muiden pahanlaatuisten sairauksien kohdentamisessa ovat yhtäläiset muiden uusien hoitojen, kuten yksilöllisen lääketieteen ja kantasoluhoitojen, kanssa.

CircRNA: n ominaisuudet

Circrnat koostuvat yleensä 1-5 eksonista ja eksoneja sivuavat intronit ovat jopa 3 kertaa niin pitkiä kuin niiden lineaarinen vastine. Tarkempi analyysi on paljastanut, että intron-segmenteissä esiintyy monia toisiaan täydentäviä invertteri-Alu-toistoja, mikä on johtanut siihen, että jotkut spekuloivat tämän erityisen järjestelyn itse asiassa helpottavan liitoskohdat helposti paikantamaan toisensa ja edistävän kiertokulkua. Koska ne ovat tiiviisti silmukoituja rakenteita, circRNA: ssa ei käytännössä ole 5′-ja 3′-päätyrakenteita, kuten poly-a-häntää ja 5′ – korkkia, mikä tekee niistä immuuneja eksonukleaasi-pilkkoutumiselle . Empiirisesti ne kestävät 2,5 kertaa kauemmin kuin niiden lineaariset kollegansa rintarauhasen soluissa, kuten ilmenee Enuka et al: n tekemässä tutkimuksessa. . Näiden fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi yleiset laboratorioseulontatekniikat, kuten RNaasi – R-hajoaminen-entsyymi, joka hajottaa yksinomaan lineaarista RNA: ta – sekä Poly-a-pyrstötestaus, voivat tarkasti valita tiiviit silmukkarakenteet lineaaristen muotojen päälle. Useat tutkimusryhmät ovat viime vuosina siirtäneet keskittymistään mahdollisten sirkrna-isoformien tunnistamiseen .nämä rakenteet ilmenevät alun perin samasta vanhemmasta DNA: sta, mutta eroavat hieman toisistaan lopullisessa kypsässä muodossaan, koska splikeosomien spesifisyys eriytyy tunnistamaan eksoneja ja introneja mRNA: ta edeltävässä säikeessä. Merkittäviä yhtyeitä ovat muun muassa Salzman, Jeck, Memczak, Guo ja Zhang . Näin sirkrnojen uskomaton monimuotoisuus selittyy: eukaryooteista on tähän mennessä tunnistettu 20 000 erilaista tyyppiä, ja määrä on edelleen toistaiseksi avoin .

CircRNA biogeneesi ja luokittelu

sirkrnojen muodostuminen johtuu eksoni-ja introniryhmien sijoittumisesta ja sekoittumisesta, sillä ne ovat segmenttejä, jotka varautuvat ja eliminoituvat lopullisessa transcriptionaalisesti muunnetussa tuotteessa . Normaalisti kypsä lähetti-RNA muodostuu, kun proteiini-RNA-kompleksi nimeltä spliseosomi katalysoi intronisegmenttien pilkkoutumista prekursori-mRNA-molekyylissä, yleensä tunnistamalla tietyt sekvenssit, jotka reunustavat intronisegmenttiä molemmissa päissä. Eksonisegmentit sulautuvat, kun taas intronisegmentit poistuvat ja hajoavat. Tämä konventionaalinen havainto ei ota huomioon poikkeamaa ja potenssieroa kaikissa liitoskohdissa , joista osa voi tämän seurauksena jättää huomiotta ja johtaa väistämättä circRNA: n synteesiin. Myöskään 5′: n ja 3′: n liitoskohdan spatiaalisen järjestelyn osuutta ei tule jättää huomiotta, sillä jos edellinen on sijoitettu jälkimmäisen alavirtaan, niin spliceosomi rakentuu suotuisasti kovalenttisesti suljetun ympyrärakenteen lineaarisen eksonisen molekyylin päälle . Tämä mekanismi, yleisesti kutsutaan “eksoni sekoittaminen” aiheuttaa erilaisia circRNAs kuten eksoninen, introninen, eksoni-introninen ja intergeeninen . Syöpäkohtaisissa tapauksissa sisäinen rakenne on vielä vaikeampi määrittää pahanlaatuisten kasvainten ekspansiivisen ja siten invasiivisen luonteen vuoksi . Kuvasimme lyhyesti circrnasin biogeneesiä ja toimivuutta Kuvassa. 1.

katsaus pyöreän RNA: n Biogeneesiin ja toiminnallisuuteen. Selitys ja alaviitteet: lähetti-RNA kypsässä muodossaan, jossa sekä eksonien että intronien välinen vuorovaikutus puuttuu. b Lariat-ohjattu kiertokulku. Yläjuoksun eksoni (eksoni 1) ja alajuoksun eksoni (eksoni 4) ovat kovalenttisesti sidottuja, koska mRNA on liitoksissa. Tämä helpottaa RNA-lariatin tuottamista pareittain jäljellä olevien eksonien, jotka ovat eksonit 2 ja 3, rinnalla. c-RNA: ta sitovaan proteiiniin ja intronin pariliitokseen perustuvat Circularisaatiot. Molemmissa tapauksissa alku-ja loppupään intronit (intronit 1 ja 3) paritetaan, jotta alumiinifolioidut eksonit (eksonit 2 ja 3) voivat vuorovaikuttaa keskenään, ainoa ero on, että edellisessä tapauksessa ulkoinen RBP-molekyyli liittyy yhtälöön aktiivisesti helpottamaan reaktiota, kun taas intronien pariutumispohjaisessa Kiertokularisaatiossa alku-ja loppupään intronien hydroksyyliryhmä ja fosfaattiryhmä pariutuvat itsenäisesti. ecircrna tai ElcircRNA tuotetaan Kiertokularisaatioreitistä riippumatta. Joissakin tapauksissa introniset segmentit asuvat silmukassa, jolloin syntyy ElcircRNAs toisin kuin ecircRNA, joka sisältää puhtaasti eksonisia segmenttejä. e toiminnot kypsä circRNAs ovat miRNA sponging, toimii kaksinkertainen inhibiittori joidenkin kemiallisten reaktioiden; proteiini käännös on mahdollista, vaikkakin melko harvinainen ja tutkimus tehdään ymmärtää, miten se eroaa lineaarinen RNA käännökset; RBP-proteiini monimutkainen kokoonpanot auttaa säätelemään ja kohtalainen reittejä ja epäsuorasti vaikuttaa tuotantoon muiden circRNAs; mRNA-yhteisvaikutukset, olivat ne sitten helpottavia tai estäviä

CircRNA-funktio: mikroRNA-sienieläimet

koska circRNA: n rakenteet ovat yksikäsitteisiä, ne eivät koodaa proteiineja kuten lineaariset muodot . Tutkimukset ovat osoittaneet empiirisen todistusaineiston avulla, että tietyt sirkrnat toimivat mikroRNA-sieninä ja estävät tehokkaasti niiden mekanismin. Micrornat ovat 21-nt pitkiä ei-koodaavia RNA-sekvenssejä, jotka auttavat geeniekspression jälkioppimisen säätelyssä, tyypillisesti kiinnittymällä mrnoihin ja estämällä sen translaation proteiiniksi joko kilpailuhenkisesti tai ei-kilpailuhenkisesti. Ne luokitellaan sukuihin siemenalueidensa mukaan sen mukaan, jakavatko ne saman nukleotidien sarjan asemista 2-7 . Circrnoilla on komplementaarisuus, jolla ne voivat vastakiinnittää itsensä micrornoihin, tunnistaa mirnojen siemenalueet ja kilpailullisesti deaktivoida ne. Kaksi circRNAs erityisesti, vastaavasti cdr1as ja circSRY, ovat valokeilassa tieteellisen tutkimuksen tällä hetkellä. On havaittu, että cdr1as sisältää 70 säilynyttä sitoutumiskohtaa miRNA-7: lle, mikä on huomattavasti merkittävämpi kuin mikään muu lineaarinen miRNA-sieni. Memczak et al vahvistaa sen sienimiskyvyn. , jossa hyödynnettiin cdr1as-molekyylien sekvesterointia mir-7: n kohonnutta ilmentymistä vastaan seeprakalan aivoissa, jotta saatiin näyttöä cdr1as-inhibitorisista toimista kohdennettua mirnaa vastaan seuraamalla myöhempää seeprakalan keskiaivojen kehitystä. CircSRY, toisaalta, testataan hiiren kivekset ja sen täydentävä hyökkäys mir-138 siemen alueella on huomannut . Koska se sisältää 16 erityistä sitoutumiskohtaa, jotka ovat edelleen vaikuttavia kaikkien sienimolekyylien joukossa, niiden sienifunktiohypoteesi on vahvistettu .

CircRNA-toiminto: vuorovaikutus RBPs: n ja proteiinin translaation kanssa

jotkut ovat havainneet circRNA: n säätelevän geenien transkriptiota ja ilmentymistä muita reittejä pitkin. Ne voivat olla vuorovaikutuksessa RNA: ta sitovien proteiinien (rbps) kuten circ-Foxo3: n kanssa ja muodostaa yhdessä kompleksin, joka vaikuttaa solujen eloonjäämiseen ja proliferaatioon vuorovaikutuksessa P21: n ja CDK2: n kanssa ; jotkut vahvistavat mRNA: n stabiilisuutta muodostamalla duplex-rakenteita, kuten cdr1as: n tapauksessa. Kiistanalaisempaa on, että ryhmät, kuten Legnini I. et al. ja Pamudurti N. R. et al. havaittiin, että tietyt sirkrnat voivat kääntää proteiineja, yksi hiiren myoblasteissa ja yksi kärpäsissä. Tällainen uutinen tuo esiin uuden hypoteesin ‘ on circRNA ominaisuuksia, perinteisesti ajatellaan olevan ei-koodaus . Sen jälkeen, kun hepatiittiviruksesta-yksisäikeisestä circRNA: sta-on ensimmäisen kerran löydetty proteiineja, jotkut ovat varmistaneet circRNA: n translaatiokyvyn aktivoitumisen lisäämällä IRES: n (sisäinen ribosomin sisääntuloalue) alkukodonin yläjuoksulle . Paljon enemmän on tehtävä, jotta voidaan täysin ymmärtää näiden piirien tarkka translaatiomekanismi ja miksi ne toimivat, kun taas suurin osa muista ei.

CircRNA-levityspotentiaali

käytännön kannalta circrnat ovat elinkelpoisia biomarkkereita sairauksien diagnosoinnissa ja hoidossa, koska eksonukleaasit eivät voi helposti hajottaa niitä suljetun kehärakenteensa vuoksi. Joissakin tapauksissa, circRNAs on todettu trump perinteiset biomarkkerit. Esimerkiksi circ-PVT1: n säätely mahasyövän (GC) kudoksissa lisää miR-125: n spongingiaktiivisuutta ja edistää siten GC: n lisääntymistä. ; hsa_circ_0000190 on myös herättänyt huomiota toimimalla aivan päinvastaisella tavalla-downregulation tapahtuu, kun se joutuu kosketuksiin GC: n kanssa, ja se on testattu herkemmäksi ja spesifisemmäksi kuin biomarkkerit, kuten CEA ja CA 19-9 . Toinen esimerkki on hepatosellulaarinen karsinooma (HCC), jossa nykyinen biomarkkeri vallitsevassa käytössä on alfa-fetoproteiini (AFP). AFP osoittaa heikko herkkyys, jolloin 40% kaikista potilaista HCC testattu normaali AFP tasot. Rakentava tapa lisätä tätä herkkyyttä on yhdistää muihin merkkiaineisiin, mikä ei ole tehokas ratkaisu. Vaihtoehtoisesti Xingchen Shang et al. on ehdottanut korrelaatiota circ_005075: n ja kasvaimen koon välillä ja listannut sen elinkelpoiseksi prognostiseksi biomarkkeriksi , joka on stabiiliutensa ja spesifisyytensä vuoksi parempi sekä tehokkuudeltaan että potentiaaliltaan. Tämä viittaa siihen, että HCCs: n kehitys ja invaasio liittyvät läheisesti circRNAs: iin, joskin sen koko mekanismi on vielä epäselvä. Syöpätutkimukseen soveltuvien circRNA-biomarkkereiden luettelo ei kuitenkaan rajoitu vain näihin kahteen sairauteen. Olemme tehneet yhteenvedon saatavilla olevista tutkimuksista, jotka koskevat circRNAs: ia, jotka liittyvät erilaisiin ihmisten sairauksiin ja jotka löytyvät taulukosta 1.

viimeaikaisissa lisätutkimuksissa on havaittu ja pyritään purkamaan eksosomien piirilevyjen rikastumista ja stabiilisuutta, mikä yhdistelmä voisi edelleen parantaa piirilevyjen kohdentamiskykyä. Eksosomit ovat solunulkoisia vesikkeleitä, joiden pääasiallinen tehtävä on kuljettaa erilaisia solusisältöjä, kemikaaleja sekä tekijöitä, mikä mahdollistaa solujen välisen vuorovaikutuksen ja vasteen . Näin ollen huomattava määrä solumuutoksia ja kudosvastetta on seurausta siitä, onko vastaava samaa yhteensopivuutta oleva vesikkeli onnistuneesti saapunut määränpäähänsä ja onko siihen reagoitu laittomasti tai kuljetettu tekijöitä . Eksosomin mekanismin ymmärtäminen voi auttaa välittäjien johtamisessa kasvainmikroympäristöihin ja solujenväliseen verkostoitumiseen, mikä herättää suurta kiinnostusta eksosomin sirkrna: han äskettäin, kun otetaan huomioon mahdollisuus vahvistaa tehokkuutta ja kohdistuskykyä pahanlaatuisiin tai epäkuntoisiin soluihin.

circrnojen alkuperä riippuu viime kädessä vastaavista miRNA-pitoisuuksista luovuttajasoluissa, jotka voivat olla luonteeltaan sekä immuuneja että ei-immuuneja. Eksosomi RNAs voi minimoida DNA: n vaurioitumisen nopeuttamalla solusykliä, kuten käy ilmi äskettäisestä mir-217: n yliekspressiosta, mikä johtaa clclin-D1: n ja EZH2: n ilmaisujen vähenemiseen. Tämän käyttäytymisen uskotaan liittyvän sääntelemättömään proliferaatioon neoplasmian muodostumissa . Enemmän tahansa, monet kokeelliset tulokset ovat päätelleet suoran yhteyden eksosomien ja neoplastinen transformaatio, sekä circRNA: n mekanistinen vaikutus kasvaimen mikroympäristöön . Ottaen haiman duktaali adenokarsinooma (PDAC) esimerkiksi, se on liittynyt epänormaali korkea ilmentyminen eksosomi circ-PED8A ; eksosomi circNRIP1 edistää metastasoituneita mahasyövän (GC) sponging miR-149-5p, toisessa tutkimuksessa. Ehkä merkittävin on rooli exosome circPTGR1 on kehittämisestä hepatosellulaarinen karsinooma (HCC) , jolloin upregulating eksosome circRNA kannusti kasvaimen invaasio. Näiden erittäin korreloivien löydösten vuoksi eksosomi-sirkrnoja ehdotetaan diagnostisiksi indikaattoreiksi niiden vastaaville pahanlaatuisille kasvaimille sen perusteella, miten vastaaja ne ovat muuttuvassa ilmentymistasossa ja niiden erinomainen stabiilisuus yhdistettynä sen luontaiseen kohdennettuun jakelumekanismiin . Tällä hetkellä yli 1000 circrna: ta on tunnistettu eksosomeissa koko ihmiskehossa, ja lisää tutkimusta on tehty ylimääräisten eksosomi-circRNA-syöpä-yhdistelmien löytämisestä.

CircRNA challenges and prospects

huolimatta lisääntyvistä tutkimuksista, joita on tehty samanaikaisesti circRNA: n suosion nousun kanssa, useimpien circrnojen biologinen toiminta on edelleen arvoitus. On esimerkiksi havaittu, että suurin osa circrnoista partioi sytoplasmassa, mutta ne ovat peräisin solun tumasta, joten herää kysymys, miten ne mahtuvat pienen ydinhuokosen läpi. Lisäksi on tutkittava sitä, että monet ympyröidyistä eksoneista (85%) ovat päällekkäisiä valkuaisaineita koodaavien sekvenssien kanssa, mutta suurin osa circrnoista ei koodaa proteiineja. Kliinisemmin ne vaativat lisätestejä, jotta perinteiset diagnostiset menettelyt voidaan täysin korvata. Ongelmia, kuten traumoja aiheuttavaa potilaskudosten poistoa ja kallista circRNA-tunnistusta kudoksista, on vielä käsiteltävä sen lisäksi, että niiden sekundaarirakenteista ja toisistaan poikkeavista rooleista saadaan kattava käsitys. Jos sopivia circRNA-biomarkkereita ei anneta asianmukaisesti potilaille, ne voivat hämärtää kliinisiä tuloksia, jotka on voitettava hankkimalla parempi kuva ehdotettujen circRNAs-yhdisteiden synnystä, paikantamisesta ja hajoamisesta.

circrnat ovat kuitenkin edelleen houkuttelevia vaihtoehtoja useiden biologisten terapeuttisten välineiden kehittämiseksi. On jo raportoitu sekä in vitro-että In vivo-RNA-rakenteista, joissa on käytetty I-ryhmän permutoituja intronipeksonisekvenssejä (PIE-sekvenssejä), ja tämä mekanismi voidaan mahdollisesti ekstrapoloida sisältämään minkä tahansa tunnetun rakenteen omaavan sekvenssin tai proteiinin, jos niin haluamme. Sivuhuomautuksena voidaan todeta, että circRNA: n diagnostisten mahdollisuuksien monipuolistamisessa on paljon parantamisen varaa. Eräässä esimerkissä nykyinen veren molekyylianalyysi säilytetään analysoitaessa soluttomia DNA: n fragmentteja; Suuri tulevaisuudennäkymä olisi harkita tautikohtaisten solujen ulkopuolisten rakkuloiden näytteenottoa, jotta taudin puhkeamista ja etenemistä voitaisiin seurata tarkemmin. Nämä ajatukset luovat perustan lisäehdotuksille valikoivasta proteiinien säätelystä ja ohjelmoidusta solujen signaloinnista. Kuten jatkuvasti käynnissä olevissa kokeissa on osoitettu, circrnat ovat luottavaisesti näyttäneet sienimäisen ja biomarkkaavan potentiaalinsa, minkä pitäisi kannustaa meitä avaamaan pitkään väärinymmärrettyjen circrnojen salaisuudet.