Sirkulært RNA: funksjoner, applikasjoner og prospekter

Introduksjon

Sirkulært RNA (circRNA) ble oppdaget i RNA-virus som viroider på midten av 70-tallet, først antatt å være en endogen rna-spleisingsfeil . Takket være fremskritt i beregningsanalyse og RNA-sekvenseringsteknikker i samme tiår, har disse misforståtte sirkulære strukturer endelig blitt anerkjent riktig og dypt både i struktur og funksjonalitet . I kjernen er circRNA et enkeltstrenget RNA, men det adskiller seg fra det langt bedre kjente lineære RNA ved at det kontinuerlig lukkes inn i seg selv ved kovalent å bli med i sine 5′ og 3′ ender, og presenterer dermed noen fascinerende egenskaper som ikke er fullstendig utforsket: proteinkompleks stillas, foreldregenmodulasjon, RNA-proteininteraksjoner og microRNA (miRNA) svamp, for bare å nevne noen . De anses nå for å gi viktig regulatorisk funksjon for både planter og dyr . Et økende antall studiegrupper har vist og verifisert i en grad effektivitetsnivået som vises i sirkulære Rna som vanligvis kreves i levedyktige medisinske behandlinger og andre bioteknologiske applikasjoner. For eksempel, tilfeller av tradisjonelle biomarkører blir langt bedre enn foreslått circRNA substitutter blir rapportert ofte. Støttet opp av økende støtte og bevis om promosing evner circRNAs, mer etterforskning og interesse bør bringes ut som sådan, ikke bare fra en grunnleggende omfattende biologisk forståelse av sine strukturer og mekanismer, men også på et systematisk nivå av deres interaksjoner med omkringliggende molekyler og miljøer. Applicably snakker, circRNAs er på linje med sitt potensial og levedyktighet for å målrette kreft og andre ondartede sykdommer med andre nye behandlinger som personlig medisin og stamcelleterapier.

CircRNA egenskaper

Circrna består vanligvis av 1-5 eksoner og intronene flankerer eksonene er opptil 3 ganger så lange som deres lineære motstykke. Nærmere analyse har avdekket tilstedeværelsen av mange komplementære inverter Alu gjentar i intron segmenter, fører noen til å spekulere denne spesielle ordningen faktisk letter spleise områder for enkelt å finne hverandre og fremme sirkularisering. Siden de er tett sløyfe strukturer, er det effektivt ingen 5′ og 3 ‘endestrukturer som poly-a haler og 5’ caps i circRNA, noe som gjør dem immun mot eksonuklease spaltning . Empirisk varer de 2,5 ganger lengre enn deres lineære motstykker i brystceller, som illustrert i en studie utført Av Enuka et al. . På grunn av disse fysiske egenskapene kan vanlige laboratoriescreeningsteknikker som rnase R-nedbrytning-et enzym som utelukkende degraderer lineær RNA – samt poly – a-haletesting nøyaktig velge lukkede strukturer over lineære former. Flere forskningsgrupper de siste årene har skiftet fokus på å identifisere potensielle circRNA-isoformer, strukturer som opprinnelig er uttrykt fra samme foreldres DNA, men er litt forskjellige fra hverandre i sin endelige modne form på grunn av differensiering i spesifisitet av spliceosomer for å gjenkjenne eksoner og introner på pre-mRNA-strengen . Andre kjente grupper er Salzman, Jeck, Memczak, Guo Og Zhang . Som sådan forklarte det utrolige mangfoldet av circRNAs: 20.000 forskjellige typer har blitt identifisert i eukaryoter så langt, et tall som fortsatt er åpent .

CircRNA biogenesis and classification

dannelsen av circrna oppstår fra posisjonering og scrambling av exon og intron grupper, som er segmenter som er reservert og eliminert i det endelige etter transkripsjonelt modifiserte produktet henholdsvis . Normalt dannes et modent budbringer-RNA når et protein-RNA-kompleks kalt spliceosomet katalyserer spalting av intronsegmenter i et forløper-mRNA-molekyl, vanligvis ved anerkjennelse av spesifikke sekvenser som flankerer intronsegmentet i begge ender. Exon-segmentene smelter sammen, mens de introniske segmentene blir tatt ut og degradert. Denne konvensjonelle oppfatningen tar ikke hensyn til avviket og forskjellen i potens på tvers av alle spleisesteder , hvorav noen som følge av at spliceosomet kan ignorere og uunngåelig føre til syntese av circRNA. Videre skal bidraget fra det romlige arrangementet av 5′ og 3′ spleisestedet ikke ignoreres, for hvis den førstnevnte er plassert nedstrøms for sistnevnte, konstruerer spliceosomet gunstig en kovalent lukket sirkulær struktur over et lineært eksonisk molekyl . Denne mekanismen, ofte referert til som “Exon Scrambling”, gir opphav til forskjellige typer sirkrna, inkludert eksonisk, intronisk, ekson-intronisk og intergenisk . I kreftspesifikke tilfeller er den interne strukturen enda vanskeligere å bestemme på grunn av den ekspansive og dermed invasive naturen av ondartede svulster . Vi kort avbildet biogenese og funksjonalitet av circRNAs I Fig. 1.

Oversikt Over Biogenese og Funksjonalitet Av Sirkulært RNA. Forklaring Og Fotnoter: a en messenger RNA i sin modne form, der samspillet mellom både eksoner og introner er fraværende. B Lariat-Drevet Sirkularisering. Oppstrøms exon (exon 1) og nedstrøms exon (exon 4) er kovalent bundet på grunn av at mRNA blir spleiset. Dette letter produksjonen AV ET rna lariat sammen med sammenkoblede eksoner som forblir, Som Er Eksoner 2 og 3. c RNA-Bindende Protein Drevet Og Intron-sammenkobling Drevet Sirkulaliseringer. I begge tilfeller, oppstrøms og nedstrøms introner (introner 1 og 3) er paret opp for å gi mulighet for klemt Eksoner (eksoner 2 og 3) til å samhandle, den eneste forskjellen er at med det tidligere tilfellet, en ekstern RBP molekyl slutter seg til ligningen for å aktivt lette reaksjonen, mens Med Intron-sammenkobling Drevet Sirkularisering, hydroksylgruppen og fosfatgruppen av oppstrøms og nedstrøms introner henholdsvis paret opp uavhengig. d ecircRNA eller ElcircRNA produseres uavhengig Av Sirkulasjonsrute. I noen tilfeller ligger introniske segmenter i løkken, og gir dermed opphav Til Elcircrna i motsetning til ecircRNA som inneholder rent eksoniske segmenter. E Funksjoner av modne circRNAs inkluderer miRNA svamp, fungerer som en dobbel hemmer for noen kjemiske reaksjoner; Protein Oversettelse er mulig, om enn ganske sjelden og forskning blir gjennomført for å forstå hvordan det skiller seg fra lineære rna oversettelser; RBP-Protein Komplekse formasjoner bidra til å regulere og moderat veier og indirekte påvirke produksjonen av andre circRNAs; mRNA-Interaksjoner, det være seg tilretteleggende eller hemmende

CircRNA funksjon: microRNA svamper

på grunn av unikheten i strukturer av circRNA, koder de ikke for proteiner som de lineære formene . Studier har vist, med støtte empiriske bevis, at visse circrna fungere som microRNA svamper og effektivt hindre deres mekanisme. MicroRNAs er 21-nt lange ikke-kodende RNA-sekvenser som hjelper til med post-transkripsjonell regulering av genuttrykk, typisk ved å låse seg på mrna og hemme oversettelsen til protein via enten konkurransedyktig eller ikke-konkurransedyktig mote. De er klassifisert i familier etter deres frøområder, avhengig av om de deler samme sekvens av nukleotider fra posisjon 2 til 7 . CircRNAs har komplementariteten til å motfeste seg på microRNAs, gjenkjenne mirnas frøområder og deaktivere dem konkurransedyktig. To circRNAs spesielt, henholdsvis CDR1as og circSRY, er søkelyset for vitenskapelig forskning i dag. Det er observert At CDR1as inneholder 70 konserverte bindingssteder for miRNA-7, langt signifikant enn noen annen lineær miRNA svamp. Dens svamp evne er bekreftet Av Memczak et al. , som utnyttet sekvestering Av CDR1as molekyler mot forhøyet ekspresjon av miR-7 i sebrafisk hjerner for å få støtte bevis På CDR1as hemmende aktiviteter mot målrettet miRNA ved å overvåke påfølgende sebrafisk midbrain utviklingen. CircSRY, derimot, er testet i murine testikler, og dets komplementære angrep på mir-138 frøregionen blir lagt merke til . Siden den inneholder 16 spesifikke bindingssteder, et tall som fortsatt er imponerende blant alle svampmolekyler, er deres svampfunksjonaliseringshypotese bekreftet .

CircRNA funksjon: interaksjon med RBPs og protein oversettelse

noen har funnet circRNA å regulere gentranskripsjon og uttrykk via andre veier. De kan interagere MED rna-bindende proteiner (rbps) som circ-Foxo3 og sammen danne et kompleks som påvirker celleoverlevelse og proliferasjon ved å interagere med p21 og CDK2 ; noen styrker mrna-stabiliteten ved å danne dupleksstrukturer som I Tilfelle Av CDR1as. På et mer kontroversielt notat, grupper som Legnini i. et al. Og Pamudurti N. R. et al. oppdaget at visse circRNAs kan oversette for proteiner, en i murine myoblaster og en i flyhoder . Slike nyheter bringer frem ny hypotese ‘ på circRNA evner, konvensjonelt antatt å være ikke-koding . Siden den første oppdagelsen av proteiner oversatt fra hepatittvirus-en enkeltstrenget circRNA, har noen bekreftet aktiveringen av circRNA translasjonell evne ved å sette inn ET IRES (internt ribosominngangssted) oppstrøms startkodonet . Mye mer må gjøres for å fullt ut forstå den nøyaktige translasjonsmekanismen til disse circRNAs, og hvorfor de fungerer mens de fleste andre ikke gjør det.

CircRNA applikasjonspotensial

på et mer praktisk notat er circrna levedyktige biomarkører for diagnose og behandling av sykdommer, da de ikke lett kan degraderes av eksonukleaser på grunn av deres lukkede sirkulære struktur. I noen tilfeller har circRNAs blitt funnet å trumpe konvensjonelle biomarkører. For eksempel øker oppreguleringen av circ-PVT1 i Gastrisk Kreft (GC) vev svampende aktivitet av miR-125 og oppfordrer DERETTER gc-proliferasjon ; hsa_circ_0000190 har også tiltrukket seg oppmerksomhet ved å operere akkurat motsatt vei-nedregulering skjer når DEN kommer i kontakt MED GC, og den er testet for å være mer følsom og spesifikk enn biomarkører som CEA og CA 19-9 . Et annet eksempel er I Hepatocellulært Karsinom (HCC), hvor den nåværende biomarkøren i dominerende bruk er Alfa-fetoprotein (AFP) . AFP viser dårlig følsomhet, hvor 40% av alle pasienter med HCC testet normale AFP-nivåer. Den konstruktive måten å øke denne følsomheten er ved kombinasjon med andre markører, som ikke er en effektiv løsning. Alternativt, Xingchen Shang et al. har foreslått korrelasjonen mellom circ_005075 og tumorstørrelse , og oppført den som en levedyktig prognostisk biomarkør som er overlegen både i effektivitet og potensial på grunn av stabilitet og spesifisitet. Dette antyder at utviklingen og invasjonen Av HCCs er nært knyttet til circRNAs, om enn den fulle mekanismen fortsatt er uklar. Likevel er listen over mulige circRNA biomarkører som gjelder for kreftforskning ikke begrenset til bare disse to sykdommene. Vi oppsummerte tilgjengelige studier om circrna involvert i ulike menneskelige sykdommer som finnes I Tabell 1.

Ytterligere nyere studier har identifisert og forsøker å dekode anrikning og stabilitet av circRNAs i eksosomer, en kombinasjon som ytterligere kan forbedre målrettingsevnen til circRNAs. Eksosomer er ekstracellulære vesikler hvis hovedfunksjon er å transportere ulike celleinnhold, kjemikalier samt faktorer, slik at celle-til-celle interaksjon og respons. Som sådan er et betydelig antall cellulære endringer og vevsrespons en konsekvens av om den tilsvarende vesikelen med samme kompatibilitet har nådd sin destinasjon og ulovlige responser eller transporterte faktorer . Å få en forståelse av exosome mekanisme kan bistå i utlede mediations på svulst mikromiljøer og intercellulære nettverk, derfor sparking stor interesse for exosome circRNA nylig i lys av muligheten for styrket effektivitet og målretting evne på ondartet eller feil celler.

opprinnelsen til circrna avhenger i siste instans av tilsvarende miRNA nivåer i donorcellene, som kan være både immun og ikke-immune i naturen. Exosome Rna kan minimere skade PÅ DNA ved å akselerere cellesyklusen, som er vist i et nylig tilfelle av overuttrykk av miR-217, noe som resulterer i reduksjon av clclin-D1 og EZH2 uttrykk. Denne oppførselen antas å være knyttet til deregulert proliferasjon i formasjonene av neoplasmi . Uansett har mange eksperimentelle resultater konkludert med det direkte forholdet mellom eksosomer og neoplastisk transformasjon, samt circrnas mekanistiske effekt på tumormikromiljø . Ved å ta pankreatisk duktal adenokarsinom (PDAC) for eksempel, har det vært forbundet med det unormale høye uttrykket av eksosomet circ-PED8A ; eksosomet circNRIP1 fremmer metastatis I Magekreft (GC) ved svampende miR-149-5P, i en annen studie. Kanskje mest signifikant er rollen exosome circPTGR1 har på utviklingen Av Hepatocellulært Karsinom (HCC) , hvorved oppregulering av exosome circRNA oppmuntret tumorinvasjon. På grunn av disse svært korrelasjonsfunnene foreslås exosom circrna som diagnostiske indikatorer for deres tilsvarende ondartede svulster basert på hvordan respondenten de er i å endre uttrykksnivåer og deres utmerkede stabilitet, kombinert med sin medfødte målrettede leveringsmekanisme . Per i dag, over 1000 circrna har blitt identifisert i eksosomer i hele kroppen, med mer forskning blir utført på å oppdage ekstra exosome-circRNA-kreft kombinasjoner.

CircRNA utfordringer og utsikter

til tross for økende forskning har blitt utført parallelt med økningen av circRNA popularitet, den biologiske funksjonen til de fleste circrna fortsatt et mysterium. For eksempel er det observert at flertallet av circRNAs patruljerer i cytoplasma, men de stammer fra kjernen i cellen, så spørsmålet om hvordan de passer gjennom den lille kjerneporen blir hevet. Videre gjenstår det å undersøke det faktum at mange av de sirkulariserte eksonene (85%) overlapper med proteinkodende sekvenser, men flertallet av sirkrna ikke koder for proteiner. På et mer klinisk notat krever de ytterligere testing for å kunne erstatte tradisjonelle diagnostiske prosedyrer helt. Bekymringer som trauma-forårsaker pasient vev ekstraksjon og dyre circRNA deteksjon i vev gjenstår å bli adressert sammen med å få en full helhetlig forståelse om deres sekundære strukturer og ulike roller seg imellom. Unnlatelse av å administrere egnede circRNA biomarkører på riktig måte hos pasienter kan forvirre kliniske resultater som må overvinnes ved å få et bedre bilde av generering, lokalisering og nedbrytning av foreslåtte circrna.

likevel er circrna fortsatt attraktive alternativer for utvikling av en rekke biologiske terapeutiske verktøy. Det er allerede rapporter om både in vitro OG in vivo RNA konstruksjon utnytte gruppe i permuted intron-exon (PIE) sekvenser for komplementær målretting av spliceosomal-backsplice-site flankerende sekvenser, og denne mekanismen kan muligens ekstrapoleres til å inkludere noen sekvens eller protein av kjent struktur, hvis vi ønsker det. Som en side notat, det er mye rom for forbedring i å utvide mangfoldet av circRNA diagnostiske muligheter. I et eksempel beholdes nåværende molekylær analyse av blod ved analyse av cellefrie fragmenter av genomisk DNA; Et godt fremtidig prospekt ville være å vurdere prøvetaking av sykdomsspesifikke ekstracellulære vesikler for å overvåke sykdomsutbrudd og progresjon med mer detalj. Disse ideene legger grunnlaget for ytterligere forslag til selektiv proteinregulering og programmert cellesignalering. Som vist gang på gang i pågående eksperimenter, har circRNAs trygt vist sitt svamp og biomarkeringspotensial, noe som burde oppfordre oss til å låse opp hemmelighetene til de misforståtte circrnasene.