Circular RNA: functions, applications and prospects

Inledning

Circular RNA (circRNA) upptäcktes i RNA-virus som viroider i mitten av 70-talet, som ursprungligen antogs vara ett endogent RNA-skarvfel . Tack vare framsteg inom beräkningsanalys och RNA-sekvenseringstekniker under samma decennium har dessa missförstådda cirkulära strukturer äntligen erkänts korrekt och djupt både i struktur och funktionalitet . I sin kärna är circRNA ett enkelsträngat RNA, men det skiljer sig från det mycket bättre kända linjära RNA genom att det kontinuerligt stängs in i sig själv genom att kovalent ansluta sig till sina 5′ och 3′ ändar , vilket presenterar några fascinerande egenskaper som inte är fullständigt utforskade: proteinkomplex byggnadsställningar, föräldragenmodulering, RNA-proteininteraktioner och mikroRNA (miRNA) svamp, bara för att nämna några . De anses nu ge väsentlig regleringsfunktion för både växter och djur . Ett ökande antal studiegrupper har visat och verifierat i en utsträckning effektivitetsnivån och effekten som visas i cirkulära RNA som vanligtvis krävs i livskraftiga medicinska behandlingar och andra biotekniska tillämpningar. Till exempel rapporteras fall av traditionella biomarkörer som överträffas mycket av föreslagna circRNA-substitut ofta. Backas upp av växande stöd och bevis om främjande förmåga circRNAs, mer utredning och intresse bör föras ut som sådan, inte bara från en grundläggande omfattande biologisk förståelse av dess strukturer och mekanismer, men också på en systematisk nivå av deras interaktioner med omgivande molekyler och miljöer. I tillämpliga fall är circRNAs på nivå när det gäller dess potential och livskraft för att rikta cancer och andra maligna sjukdomar med andra nya behandlingar som personlig medicin och stamcellsterapier.

CircRNA-egenskaper

CircRNAs består i allmänhet av 1-5 exoner och intronerna som flankerar exonerna är upp till 3 gånger så långa som deras linjära motsvarighet. Närmare analys har avslöjat förekomsten av många komplementära inverter Alu upprepningar i intron segment , vilket leder några att spekulera denna speciella arrangemang faktiskt underlättar skarv platser för att enkelt lokalisera varandra och främja cirkularisering. Eftersom de är nära loopade strukturer finns det effektivt inga 5′ och 3′ ändstrukturer såsom poly-a-svansar och 5 ‘ – kepsar i circRNA, vilket gör dem immuna mot exonukleas klyvning . Empiriskt håller de 2, 5 gånger längre än sina linjära motsvarigheter i bröstceller, vilket illustreras i en studie utförd av Enuka et al. . På grund av dessa fysikaliska egenskaper kan vanliga laboratoriescreeningstekniker såsom RNAs r – nedbrytning – ett enzym som uteslutande bryter ned linjärt RNA-såväl som poly-a-svanstestning noggrant välja nära loopade strukturer över linjära former. Flera forskargrupper under de senaste åren har skiftat sitt fokus på att identifiera potentiella circRNA isoformer, strukturer som ursprungligen uttrycks från samma föräldra-DNA men skiljer sig något från varandra i sin slutliga mogna form på grund av differentiering i specificitet av spliceosomer för att känna igen exoner och introner på pre-mRNA-strängen . Anmärkningsvärda grupper inkluderar Salzman, Jeck, Memczak, Guo och Zhang . Som sådan förklarade den otroliga mångfalden av circRNAs: 20 000 olika typer har identifierats i eukaryoter hittills, ett tal som återstår till denna dag Öppet .

CircRNA biogenes och klassificering

bildandet av circRNAs härrör från positionering och förvrängning av exon-och intron-grupper, vilka är segment som är reserverade och elimineras i den slutliga post-transkriptionellt modifierade produkten respektive . Normalt bildas ett moget budbärar-RNA när ett protein-RNA-komplex som heter spliceosomen katalyserar klyvningen av intron-segment i en prekursor-mRNA-molekyl, vanligtvis genom igenkänning av specifika sekvenser som flankerar intron-segmentet i båda ändarna. Exon-segmenten smälter, medan de introniska segmenten följaktligen tas ut och försämras. Denna konventionella uppfattning tar inte hänsyn till avvikelsen och skillnaden i styrka över alla skarvplatser , av vilka några som ett resultat kan spliceosomen ignorera och oundvikligen leda till syntesen av circRNA. Vidare ska bidraget från det rumsliga arrangemanget av 5′ och 3′ skarvplatsen inte ignoreras, för om den förstnämnda är placerad nedströms om den senare, konstruerar spliceosomen positivt en kovalent sluten cirkulär struktur över en linjär exonisk molekyl . Denna mekanism, vanligen kallad “Exon Scrambling” ger upphov till olika typer av circRNAs inklusive exonic, intronic, exon-intronic och intergenic . I cancerspecifika fall är den inre strukturen ännu svårare att bestämma på grund av den expansiva och därmed invasiva naturen hos maligna tumörer . Vi skildrade kort biogenesen och funktionaliteten hos circRNAs i Fig. 1.

översikt över Biogenesen och funktionaliteten hos cirkulärt RNA. Förklaring och fotnoter: a ett budbärar-RNA i sin mogna form, där interaktion mellan både exonerna och intronerna saknas. b Lariat-Driven Cirkularisering. Uppströms exon (exon 1) och nedströms exon (exon 4) är kovalent bundna på grund av att mRNA splitsas. Detta underlättar produktionen av en RNA lariat tillsammans med parade exoner som förblir, vilka är exoner 2 och 3. C-RNA-bindande Proteindrivna och Intron-parning drivna Cirkulariseringar. I båda fallen paras uppströms och nedströms introner (introns 1 och 3) upp för att ge möjlighet för de sandwichade Exonerna (exons 2 och 3) att interagera, den enda skillnaden är att med det tidigare fallet förenar en extern RBP-molekyl ekvationen för att aktivt underlätta reaktionen, medan med Intron-parning Driven Cirkularisering, hydroxylgruppen och fosfatgruppen i uppströms respektive nedströms introner paras upp oberoende. d ecircRNA eller ElcircRNA produceras oberoende av Cirkulariseringsväg. I vissa fall finns introniska segment i slingan, vilket ger upphov till ElcircRNAs i motsats till ecircRNA som innehåller rent exoniska segment. E-funktioner hos mogna circRNAs inkluderar miRNA-svampning, som fungerar som en dubbel hämmare för vissa kemiska reaktioner; Proteinöversättning är möjlig, om än ganska sällsynt och forskning utförs för att förstå hur det skiljer sig från linjära RNA-översättningar; RBP-Proteinkomplexformationer hjälper till att reglera och måttliga vägar och indirekt påverka produktionen av andra circRNAs; mRNA-interaktioner, vare sig det är underlättande eller hämmande

CircRNA funktion: microRNA svampar

på grund av det unika i strukturer av circRNA, kodar de inte för proteiner som de linjära formerna . Studier har visat, med stödjande empiriska bevis, att vissa circRNAs fungerar som mikroRNA svampar och effektivt hindrar deras mekanism. MikroRNA är 21-nt långa icke-kodande RNA-sekvenser som hjälper till med post-transkriptionell reglering av genuttryck, vanligtvis genom att låsa sig på mRNA och hämma dess översättning till protein via antingen konkurrenskraftigt eller icke-konkurrenskraftigt sätt. De klassificeras i familjer efter deras fröregioner, beroende på om de delar samma sekvens av nukleotider från positionerna 2 till 7 . CircRNAs har komplementariteten för att motfästa sig på mikroRNA, erkänna miRNAs fröregioner och konkurrenskraftigt avaktivera dem. Två circRNAs i synnerhet, respektive CDR1as och circSRY, är rampljuset för vetenskaplig forskning för närvarande. Det observeras att CDR1as innehåller 70 konserverade bindningsställen för miRNA-7, långt signifikant än någon annan linjär miRNA-svamp. Dess svampförmåga bekräftas av Memczak et al. , som utnyttjade sekvestrering av cdr1as-molekyler mot förhöjt uttryck av miR-7 i zebrafiskhjärnor för att få stödjande bevis på CDR1as-hämmande aktiviteter mot det riktade miRNA genom att övervaka efterföljande utveckling av zebrafisk mellanhjärnan. CircSRY, å andra sidan, testas i murina testiklar och dess komplementära attack på MIR-138-fröregionen märks . Eftersom den innehåller 16 specifika bindningsställen, ett antal som fortfarande är imponerande bland alla svampmolekyler, bekräftas deras svampfunktionaliseringshypotes .

CircRNA-funktion: interaktion med RBPs och proteinöversättning

vissa har hittat circRNA för att reglera gentranskription och uttryck via andra vägar. De kan interagera med RNA-bindande proteiner (RBPs) såsom circ-Foxo3 och tillsammans bilda ett komplex som påverkar cellöverlevnad och proliferation genom att interagera med p21 och CDK2 ; vissa stärker mRNA-stabiliteten genom att bilda duplexstrukturer såsom i fallet med Cdr1a. På en mer kontroversiell anteckning, grupper som Legnini I. et al. och Pamudurti N. R. et al. upptäckte att vissa circRNAs kan översätta för proteiner, en i murina myoblaster och en i flughuvuden . Sådana nyheter frambringar ny hypotes ‘ om circRNA kapacitet, konventionellt tros vara icke-kodande . Sedan den första upptäckten av proteiner översatta från hepatitvirus-en enkelsträngad circRNA, har vissa verifierat aktiveringen av circRNA translationell förmåga genom att infoga en IRES (intern ribosominträdesställe) uppströms om startkodonet . Mycket mer behövs göras för att fullt ut förstå den exakta translationella mekanismen för dessa circRNAs, och varför de fungerar medan majoriteten av andra inte gör det.

CircRNA-applikationspotential

på en mer praktisk anteckning är circrna livskraftiga biomarkörer för diagnos och behandling av sjukdomar eftersom de inte lätt kan brytas ned av exonukleaser på grund av deras slutna cirkulära struktur. I vissa fall har circRNAs visat sig trumma konventionella biomarkörer. Till exempel förbättrar uppregleringen av circ-PVT1 i magcancer (GC) vävnader svampig aktivitet av miR-125 och uppmuntrar därefter GC-proliferation ; hsa_circ_0000190 har också väckt uppmärksamhet genom att fungera precis motsatt sätt-nedreglering sker när den kommer i kontakt med GC, och den testas för att vara mer känslig och specifik än biomarkörer som CEA och CA 19-9 . Ett annat exempel är i hepatocellulärt karcinom (HCC), där den nuvarande biomarkören i dominerande användning är alfa-fetoprotein (AFP) . AFP visar dålig känslighet, varigenom 40% av alla patienter med HCC testade normala AFP-nivåer. Det konstruktiva sättet att öka denna känslighet är genom kombination med andra markörer, vilket inte är en effektiv lösning. Alternativt, Xingchen Shang et al. har föreslagit korrelationen mellan circ_005075 och tumörstorlek och listat den som en livskraftig prognostisk biomarkör som är överlägsen både i effektivitet och potential på grund av deras stabilitet och specificitet. Detta tyder på att utvecklingen och invasionen av HCC är nära kopplade till circRNAs, även om dess fulla mekanism fortfarande är oklar. Ändå är listan över genomförbara circRNA-biomarkörer som är tillämpliga på CancerForskning inte begränsad till enbart dessa två sjukdomar. Vi sammanfattade tillgängliga studier om circRNAs involverade i olika mänskliga sjukdomar som finns i Tabell 1.

ytterligare nya studier har identifierat och försöker avkoda anrikning och stabilitet av circRNAs i exosomer, en kombination som ytterligare kan förbättra inriktningsförmågan hos circRNAs. Exosomer är extracellulära vesiklar vars huvudsakliga funktion är att transportera olika cellinnehåll, kemikalier såväl som faktorer, vilket möjliggör cell-till-cell-interaktion och respons . Som sådan är ett stort antal cellulära förändringar och vävnadssvar en följd av huruvida dess motsvarande vesikel med samma kompatibilitet framgångsrikt har nått sin destination och illiciterade svar eller transporterade faktorer . Att få en förståelse för exosome mekanism kan hjälpa till att härleda mediationer på tumör mikromiljöer och intercellulära nätverk, därför gnistor stort intresse för exosome circRNA nyligen i ljuset av möjligheten att stärkt effektivitet och inriktning förmåga på maligna eller felaktiga celler.

circrnas ursprung beror slutligen på motsvarande miRNA-nivåer i deras donatorceller, som kan vara både immun och nonimmuna i naturen. Exosome rna kan minimera skador på DNA genom att accelerera cellcykeln, vilket visas i ett nyligen fall av överuttryck av miR-217, vilket resulterar i reduktion av clclin-D1 och EZH2 uttryck. Detta beteende tros vara kopplat till avreglerad proliferation i formationerna av neoplasmi . Mer, många experimentella resultat har avslutat det direkta förhållandet mellan exosomer och neoplastisk transformation, såväl som circrnas mekanistiska effekt på tumörmikromiljö . Med pankreatisk duktal adenokarcinom (PDAC) till exempel har det associerats det onormala höga uttrycket av exosomen circ-PED8A ; exosomen circNRIP1 främjar metastatis i magcancer (GC) genom att svamp miR-149-5P, i en annan studie. Kanske mest betydande är den roll exosome circPTGR1 har på utvecklingen av hepatocellulärt karcinom (HCC) , varigenom uppreglering av exosome circRNA uppmuntrade tumörinvasion. På grund av dessa mycket korrelationsfynd föreslås exosome circRNAs som diagnostiska indikatorer för deras motsvarande maligna tumörer baserat på hur respondent de är i förändrade uttrycksnivåer och deras utmärkta stabilitet, i kombination med dess medfödda riktade leveransmekanism . För närvarande har över 1000 circRNAs identifierats i exosomer i hela människokroppen, med mer forskning som utförs på att upptäcka Extra exosome-circRNA-cancerkombinationer.

CircRNA utmaningar och framtidsutsikter

trots ökande forskning har genomförts parallellt med ökningen av circRNA Popularitet, den biologiska funktionen hos de flesta circRNAs fortfarande ett mysterium. Till exempel observeras att majoriteten av circRNAs patrullerar i cytoplasman, men de härstammar från cellens kärna, så frågan om hur de passar genom den lilla kärnporen höjs. Vidare är det faktum att många av de cirkulariserade exonerna (85%) överlappar med proteinkodande sekvenser men majoriteten av circrna inte kodar för proteiner återstår att undersöka. På en mer klinisk anteckning kräver de ytterligare testning för att helt kunna ersätta traditionella diagnostiska procedurer. Bekymmer som trauma-orsakande patientvävnadsextraktion och dyr circRNA-upptäckt i vävnad återstår att ta itu med tillsammans med att få en fullständig omfattande förståelse för deras sekundära strukturer och olika roller bland dem själva. Underlåtenhet att korrekt administrera lämpliga circRNA biomarkörer hos patienter kan fördunkla kliniska resultat som måste övervinnas genom att få en bättre bild av generering, lokalisering och nedbrytning av föreslagna circRNAs.

ändå är circrna fortfarande attraktiva alternativ för utveckling av en rad biologiska terapeutiska verktyg. Det finns redan rapporter om både in vitro och in vivo RNA-konstruktion som använder grupp I-permuterade intron-exon (PIE)-sekvenser för komplementär inriktning av spliceosomal-backsplice-site flankerande sekvenser, och denna mekanism kan eventuellt extrapoleras för att inkludera vilken sekvens eller protein som helst av känd struktur, om vi så önskar. Som en sidoanteckning finns det mycket utrymme för förbättring när det gäller att bredda mångfalden av circrnas diagnostiska möjligheter. I ett exempel behålls föreliggande molekylär analys av blod vid analys av cellfria fragment av genomiskt DNA; En stor framtidsutsikter skulle vara att överväga provtagning av sjukdomsspecifika extracellulära vesiklar för att övervaka sjukdomsdebut och progression med mer detaljer. Dessa tankar lägger grunden för ytterligare förslag på selektiv proteinreglering och programmerad cellsignalering. Som demonstreras gång på gång i pågående experiment har circRNAs med säkerhet visat sin svamp-och biomarkeringspotential, vilket borde uppmana oss att låsa upp hemligheterna hos de länge missförstådda circRNAs.