ARN circulaire: fonctions, applications et perspectives

Introduction

L’ARN circulaire (circRNA) a été découvert dans des virus à ARN sous forme de viroïdes au milieu des années 70, initialement supposé être une erreur d’épissage d’ARN endogène. Grâce aux progrès de l’analyse informatique et des techniques de séquençage de l’ARN au cours de la même décennie, ces structures circulaires mal comprises ont finalement été reconnues correctement et profondément à la fois en structure et en fonctionnalité. À la base, le circRNA est un ARN simple brin, mais il diffère de l’ARN linéaire bien mieux connu en ce qu’il se ferme continuellement sur lui-même en joignant de manière covalente ses extrémités 5′ et 3′, présentant ainsi des propriétés fascinantes qui ne sont pas entièrement explorées: échafaudage du complexe protéique, modulation des gènes parentaux, interactions ARN-protéines et éponge de microARN (miARN), pour n’en nommer que quelques-uns. Ils sont maintenant considérés comme assurant une fonction de régulation essentielle pour les plantes et les animaux. Un nombre croissant de groupes d’étude ont montré et vérifié dans une certaine mesure le niveau d’efficacité et d’efficacité affiché dans les ARN circulaires qui est généralement requis dans les traitements médicaux viables et d’autres applications biotechnologiques. Par exemple, des cas de biomarqueurs traditionnels largement surpassés par des substituts de circNNA proposés sont souvent rapportés. Soutenu par un soutien croissant et des preuves sur les capacités prometteuses des CIRCRNA, il convient de faire ressortir davantage d’investigation et d’intérêt en tant que tels, non seulement à partir d’une compréhension biologique globale de base de ses structures et mécanismes, mais également au niveau systématique de leurs interactions avec les molécules et les environnements environnants. D’un point de vue applicatif, les CIRCRNA sont à égalité en termes de potentiel et de viabilité pour cibler le cancer et d’autres maladies malignes avec d’autres nouveaux traitements tels que la médecine personnalisée et les thérapies à base de cellules souches.

Caractéristiques des CircRNA

Les CIRCRNA sont généralement constitués de 1 à 5 exons et les introns flanquant les exons sont jusqu’à 3 fois plus longs que leur homologue linéaire. Une analyse plus approfondie a révélé la présence de nombreuses répétitions Alu d’inverseurs complémentaires dans les segments intron, conduisant certains à spéculer que cette disposition particulière facilite en fait la localisation des sites d’épissure et favorise la circularisation. Comme ce sont des structures étroitement bouclées, il n’y a effectivement pas de structures terminales 5′ et 3′ telles que des queues poly-A et des caps 5′ dans le circRNA, ce qui les rend immunisées contre le clivage de l’exonucléase. Empiriquement, ils durent 2,5 fois plus longtemps que leurs homologues linéaires dans les cellules mammaires, comme l’illustre une étude réalisée par Enuka et al. . En raison de ces propriétés physiques, les techniques de criblage courantes en laboratoire telles que la dégradation de la RNase R – une enzyme qui dégrade exclusivement l’ARN linéaire – ainsi que le test de la queue poly-A peuvent sélectionner avec précision des structures en boucle étroites sur des formes linéaires. Au cours des dernières années, plusieurs groupes de recherche se sont concentrés sur l’identification des isoformes de circRNA potentielles, des structures qui sont initialement exprimées à partir du même ADN parental mais qui sont légèrement différentes les unes des autres dans sa forme mature finale en raison de la différenciation de la spécificité des splicéosomes pour reconnaître les exons et les introns sur le brin pré-ARNm. Les groupes notables incluent Salzman, Jeck, Memczak, Guo et Zhang. À ce titre, l’incroyable diversité des circRNAs a expliqué: 20 000 types différents ont été identifiés chez les eucaryotes à ce jour, un nombre qui reste à ce jour ouvert.

biogenèse et classification des CircRNA

La formation des CIRCRNA résulte du positionnement et du brouillage des groupes exon et intron, qui sont des segments réservés et éliminés dans le produit final modifié post-transcriptionnellement respectivement. Normalement, un ARN messager mature se forme lorsqu’un complexe protéine-ARN nommé spliceosome catalyse le clivage des segments introniques dans une molécule précurseur-ARNm, généralement par reconnaissance de séquences spécifiques flanquant le segment intronique aux deux extrémités. Les segments d’exon fusionnent, tandis que les segments introniques sont par conséquent retirés et dégradés. Cette perception conventionnelle ne tient pas compte de la déviation et de la différence de puissance entre tous les sites d’épissure, dont certains, par conséquent, le splicéosome peut ignorer et conduire inévitablement à la synthèse du circRNA. De plus, la contribution de la disposition spatiale du site d’épissure 5′ et 3′ n’est pas à négliger, car si le premier est positionné en aval du second, alors le splicéosome construit favorablement une structure circulaire fermée de manière covalente sur une molécule exonique linéaire. Ce mécanisme, communément appelé “Brouillage d’exons” donne naissance à différents types de circRNAs, notamment exonique, intronique, exon-intronique et intergénique. Dans les cas spécifiques du cancer, la structure interne est encore plus difficile à déterminer en raison de la nature expansive et donc invasive des tumeurs malignes. Nous avons brièvement représenté la biogenèse et la fonctionnalité des circRNAs à la Fig. 1.

Aperçu de la biogenèse et de la fonctionnalité de l’ARN circulaire. Explication et notes de bas de page: a Un ARN messager sous sa forme mature, dans lequel l’interaction entre les exons et les introns est absente. circularisation par Lariat. L’exon amont (exon 1) et l’exon aval (exon 4) sont liés de manière covalente en raison de l’épissage de l’ARNm. Cela facilite la production d’un ARN lariat à côté des exons appariés qui restent, qui sont les exons 2 et 3. Circularisations Pilotées par la Protéine de Liaison à l’ARN c et par l’appariement Intron. Dans les deux cas, les introns amont et aval (introns 1 et 3) sont appariés pour permettre aux exons pris en sandwich (exons 2 et 3) d’interagir, la seule différence est qu’avec le premier cas, une molécule de RBP externe rejoint l’équation pour faciliter activement la réaction, alors qu’avec la Circularisation pilotée par l’appariement des Introns, le groupe hydroxyle et le groupe phosphate des introns amont et aval s’apparient respectivement indépendamment. l’ARN d ecircRNA ou l’ARN ElcircRNA est produit quelle que soit la voie de circularisation. Dans certains cas, les segments introniques résident dans la boucle, ce qui donne lieu à des ARN ELCIRCR par opposition à l’ARN ECIRCR qui contient des segments purement exoniques. les fonctionnalités des CIRCRNA matures comprennent l’épongement des miARN, agissant comme un double inhibiteur de certaines réactions chimiques; La traduction des protéines est possible, bien que assez rare et des recherches sont en cours pour comprendre en quoi elle diffère des traductions linéaires de l’ARN; Les formations complexes de protéines RBP aident à réguler et modérer les voies et ont un impact indirect sur la production d’autres CIRCRNA; Interactions de l’ARNm, qu’elles soient facilitatrices ou inhibitrices

Fonction CircRNA: Éponges microARN

En raison de l’unicité des structures de circRNA, elles ne codent pas pour des protéines comme les formes linéaires. Des études ont montré, avec des preuves empiriques à l’appui, que certains circRNAs agissent comme des éponges de microARN et obstruent efficacement leur mécanisme. Les MICROARN sont de longues séquences d’ARN non codantes de 21 nt qui aident à la régulation post-transcriptionnelle de l’expression des gènes, généralement en se verrouillant sur les ARNM et en inhibant leur traduction en protéines de manière compétitive ou non compétitive. Ils sont classés en familles selon leurs régions de graines, selon qu’ils partagent la même séquence de nucléotides des positions 2 à 7. Les CircRNAs possèdent la complémentarité nécessaire pour se contre-attacher aux microARN, en reconnaissant les régions de graines des MIARN et en les désactivant de manière compétitive. Deux CIRCRNA en particulier, respectivement CDR1as et circSRY, sont actuellement à l’honneur pour la recherche scientifique. On observe que CDR1as contient 70 sites de liaison conservés pour le miARN-7, beaucoup plus importants que toute autre éponge miARN linéaire. Sa capacité d’épongage est confirmée par Memczak et al. , qui a utilisé la séquestration de molécules de CDR1as contre une expression élevée de miR-7 dans le cerveau du poisson zèbre pour obtenir des preuves à l’appui des activités inhibitrices de CDR1as contre le miARN ciblé en surveillant les développements ultérieurs du mésencéphale du poisson zèbre. Le CircSRY, en revanche, est testé dans les testicules murins et son attaque complémentaire sur la région de la graine miR-138 est remarquée. Comme il contient 16 sites de liaison spécifiques, un nombre encore impressionnant parmi toutes les molécules d’éponge, leur hypothèse de fonctionnalisation de l’éponge est confirmée.

Fonction CircRNA: interaction avec les RBPs et la traduction des protéines

Certains ont trouvé que le circRNA régule la transcription et l’expression des gènes via d’autres voies. Ils peuvent interagir avec des protéines de liaison à l’ARN (RBP) telles que circ-Foxo3 et forment ensemble un complexe qui affecte la survie et la prolifération des cellules en interagissant avec p21 et CDK2; certains renforcent la stabilité de l’ARNm en formant des structures duplex comme dans le cas des CDR1A. Sur une note plus controversée, des groupes tels que Legnini I. et al. et Pamudurti N.R. et coll. a découvert que certains circRNAs peuvent se traduire par des protéines, une dans les myoblastes murins et une dans les têtes de mouches. De telles nouvelles apportent une nouvelle hypothèse sur les capacités des circNNA, classiquement considérées comme non codantes. Depuis la première découverte de protéines traduites à partir du virus de l’hépatite – un circRNA simple brin, certains ont vérifié l’activation de la capacité de traduction du circRNA en insérant un IRES (site d’entrée interne du ribosome) en amont du codon de départ. Il reste encore beaucoup à faire pour bien comprendre le mécanisme de traduction exact de ces circRNAs, et pourquoi ils fonctionnent alors que la majorité des autres ne le font pas.

Potentiel d’application des CircRNA

Sur une note plus pratique, les CIRCRNA sont des biomarqueurs viables pour le diagnostic et le traitement des maladies car ils ne peuvent pas être facilement dégradés par des exonucléases en raison de leur structure circulaire fermée. Dans certains cas, il a été constaté que les circRNAs l’emportent sur les biomarqueurs conventionnels. Par exemple, la régulation à la hausse du circ-PVT1 dans les tissus du cancer gastrique (GC) améliore l’activité d’épongage du miR-125 et encourage par la suite la prolifération du GC ; hsa_circ_0000190 a également attiré l’attention en opérant exactement dans le sens inverse: une régulation négative se produit lorsqu’il entre en contact avec le GC, et il est testé pour être plus sensible et spécifique que des biomarqueurs comme le CEA et le CA 19-9. Un autre exemple est dans le carcinome hépatocellulaire (CHC), où le biomarqueur actuel prédominant est l’alpha-foetoprotéine (AFP). L’AFP présente une sensibilité médiocre, 40% de tous les patients atteints de CHC ayant testé des taux normaux d’AFP. Le moyen constructif d’augmenter cette sensibilité est la combinaison avec d’autres marqueurs, ce qui n’est pas une solution efficace. Alternativement, Xingchen Shang et al. a suggéré la corrélation entre circ_005075 et la taille de la tumeur, l’énumérant comme un biomarqueur pronostique viable qui est supérieur à la fois en efficacité et en potentiel en raison de sa stabilité et de sa spécificité. Cela suggère que le développement et l’invasion des HCCS sont étroitement liés aux CIRCRNA, bien que son mécanisme complet reste flou. Néanmoins, la liste des biomarqueurs de circNNA réalisables applicables à la recherche sur le cancer ne se limite pas uniquement à ces deux maladies. Nous avons résumé les études disponibles concernant les CIRCNAS impliqués dans diverses maladies humaines qui se trouvent dans le tableau 1.

D’autres études récentes ont identifié et tentent de décoder l’enrichissement et la stabilité des circRNAs dans les exosomes, une combinaison qui pourrait améliorer encore la capacité de ciblage des circRNAs. Les exosomes sont des vésicules extracellulaires dont la fonction principale est de transporter divers contenus cellulaires, des produits chimiques ainsi que des facteurs, permettant ainsi une interaction et une réponse de cellule à cellule. En tant que tel, un nombre considérable de changements cellulaires et de réponses tissulaires sont la conséquence du fait que sa vésicule correspondante de la même compatibilité a réussi à atteindre sa destination et des réponses illicites ou des facteurs transportés. Acquérir une compréhension du mécanisme des exosomes peut aider à dériver des médiations sur les microenvironnements tumoraux et la mise en réseau intercellulaire, suscitant ainsi un grand intérêt pour le circRNA des exosomes récemment à la lumière de la possibilité d’une efficacité renforcée et d’une capacité de ciblage sur les cellules malignes ou défectueuses.

L’origine des CIRCRNA dépend en fin de compte des niveaux de miARN correspondants dans leurs cellules donneuses, qui peuvent être à la fois immunitaires et non immunitaires. Les ARN exosomiques peuvent minimiser les dommages à l’ADN en accélérant le cycle cellulaire, comme le montre un cas récent de surexpression de miR-217, entraînant la réduction des expressions clclin-D1 et EZH2. On pense que ce comportement est lié à une prolifération dérégulée dans les formations de néoplasmies. De plus, de nombreux résultats expérimentaux ont conclu à la relation directe entre les exosomes et la transformation néoplasique, ainsi qu’à l’effet mécaniste du circRNA sur le microenvironnement tumoral. En prenant un adénocarcinome canalaire pancréatique (PDAC) par exemple, il a été associé à l’expression anormale élevée de l’exosome circ-PED8A; l’exosome circNRIP1 favorise les métastases dans le cancer gastrique (GC) en épongeant miR-149-5p, dans une autre étude. Le plus significatif est peut-être le rôle de l’exosome circPTGR1 dans le développement du carcinome hépatocellulaire (CHC), la régulation à la hausse de l’exosome circRNA encourageant l’invasion tumorale. En raison de ces résultats hautement corrélatifs, les circRNAs exosomiques sont proposés comme indicateurs diagnostiques de leurs tumeurs malignes correspondantes en fonction de leur niveau d’expression changeant et de leur excellente stabilité, associée à son mécanisme d’administration ciblé inné. À l’heure actuelle, plus de 1000 CIRCRNA ont été identifiés dans des exosomes dans tout le corps humain, et d’autres recherches sont en cours pour découvrir des combinaisons exosomes-circRNA-cancer supplémentaires.

Défis et perspectives du CircRNA

Malgré des recherches croissantes menées parallèlement à la popularité croissante du circRNA, la fonction biologique de la plupart des CIRCRNA reste un mystère. Par exemple, on observe que la majorité des circRNAs patrouillent dans le cytoplasme, mais qu’ils proviennent du noyau de la cellule, de sorte que la question de savoir comment ils s’insèrent à travers le minuscule pore nucléaire est soulevée. De plus, le fait que de nombreux exons circularisés (85%) se chevauchent avec des séquences codantes pour les protéines mais que la majorité des CIRCNAS ne codent pas pour les protéines reste à étudier. Sur une note plus clinique, ils nécessitent des tests supplémentaires pour pouvoir remplacer complètement les procédures de diagnostic traditionnelles. Des préoccupations telles que l’extraction de tissus de patients causant des traumatismes et la détection coûteuse de circRNA dans les tissus restent à résoudre parallèlement à l’obtention d’une compréhension complète de leurs structures secondaires et des rôles différents entre eux. Le fait de ne pas administrer correctement des biomarqueurs de circRNA appropriés chez les patients peut obscurcir les résultats cliniques qui doivent être surmontés en obtenant une meilleure image de la génération, de la localisation et de la dégradation des CIRCRNA proposés.

Néanmoins, les CIRCRNA restent des options intéressantes pour le développement d’une gamme d’outils thérapeutiques biologiques. Il existe déjà des rapports de construction d’ARN in vitro et in vivo utilisant des séquences intron-exon (PIE) permutées du groupe I pour le ciblage complémentaire de séquences flanquantes de sites épissésosomaux, et ce mécanisme peut éventuellement être extrapolé pour inclure n’importe quelle séquence ou protéine de structure connue, si nous le souhaitons. En guise de remarque, il y a beaucoup de place pour l’amélioration de l’élargissement de la diversité des possibilités de diagnostic de circRNA. Dans un exemple, l’analyse moléculaire actuelle du sang est retenue lors de l’analyse de fragments d’ADN génomique exempts de cellules; Une grande perspective d’avenir serait d’envisager l’échantillonnage de vésicules extra-cellulaires spécifiques à la maladie pour surveiller l’apparition et la progression de la maladie avec plus de détails. Ces idées jettent les bases d’autres suggestions de régulation sélective des protéines et de signalisation cellulaire programmée. Comme démontré à maintes reprises dans des expériences en cours, les CIRCRNA ont montré avec confiance leur potentiel d’épongage et de biomarquage, ce qui devrait nous inciter à percer les secrets des CIRCRNA longtemps incompris.