科学家揭示环状RNA编码蛋白的重要机制

摘要: 　　近日，中国科学院－马普学会计算生物学伙伴学习所学习员王泽峰在细胞学习（Cell Research）上在线发表了题为Extensive translation of circular RNAs driven by N6-methyladenosine 的学习论文，该学习发现了大 ...

　　近日，中国科学院－马普学会计算生物学伙伴学习所学习员王泽峰在细胞学习（Cell Research）上在线发表了题为Extensive translation of circular RNAs driven by N6-methyladenosine 的学习论文，该学习发现了大量的环形RNA可作为信使RNA来编码蛋白，这些环形信使RNA通过一种常见的RNA甲基化修饰m6A，来驱动非帽依赖性的翻译机制来合成蛋白质。该学习进一步拓展了环状RNA的功能，对蛋白质来源的多样性有新的认识，具有十分重要的理论意义。
　　环状RNA在某些病毒中普遍存在，然而近年才在真核生物中发现大量这种非主流RNA。人类的环状RNA主要是由外显子的反向剪接产生的，但关于其生物功能尚无定论。先前学习显示，环状RNA是一种非编码RNA，可以如同海绵一样吸附miRNA或RNA结合蛋白，从而起到调控基因表达的作用。
　　人的细胞中所有的已知mRNA都含有5’端帽结构，这一帽结构是大局部mRNA翻译所必需的。然而在一些特殊情况如细胞应激条件下，有些mRNA可以不依赖于帽结构而靠一个叫IRSE的顺式调控原件从mRNA的中间启动翻译。这种IRES驱动的蛋白翻译在RNA病毒中很常见，但只在一小局部的真核细胞mRNA中发现。在王泽峰组的前期工作中，他们发现插有IRES的编码GFP的环状RNA可以在细胞中被翻译。而新的工作中，他们发现环状RNA中富含m6A甲基化修饰，而且这些碱基修饰可以像IRES一样驱动环状RNA翻译。王泽峰认为，“这两个发现放在一起，就可推断出有大量的环状RNA被翻译成蛋白质这一令人惊讶的结论，说明人的细胞中存在有大量的环状RNA编码的未知蛋白。”这是一个很令人兴奋的结论，说明人类蛋白质的多样性远比从前想的大。
　　该文作者们进一步学习了环形RNA的翻译机制，发现了m6A识别蛋白YTHDF3能够结合到环状RNA的修饰位点并募集eIF4G2和其他翻译起始因子来驱动环状RNA的翻译。同时，他们通过多核糖体分析和RNA测序发现大量的环状RNA与多核糖体结合在一起。在此基础上，利用质谱分析的方法鉴定了一些由环状RNA反向剪接接口编码的新肽段。
　　尽管不排除很多环状RNA仍可能是非编码RNA，但新结果证明其中一大局部可以像信使RNA一样翻译成蛋白。“这一发现模糊了编码和非编码RNA的界定。”王泽峰认为，“信使RNA不见得一定需要是线性的，环状RNA显然是一类新的信使RNA。”
　　新文章尚未解答的重要问题是这些环状RNA编码的蛋白功能是什么，但他们提出了一些有趣的可能性。正常情况下，真核细胞中蛋白质合成的主要方式是通过5’端帽依赖性翻译，但在应激环境下或一些癌症中，5’端帽依赖性翻译会被抑制而非帽依赖性翻译将会取代。因为环状RNA没有5’端帽结构，所以所有的环状RNA翻译都是通过非5’端帽依赖性翻译进行的。因而环状RNA可能通过产生刺激诱导蛋白在细胞应激反应中发挥重要作用。根据类似推理，环状RNA编码的蛋白可能在癌症发展过程中发挥重要作用。
　　此项学习和之前的学习都表明m6A可以像IRES一样启动翻译，而在信使RNA中存在大量的m6A修饰。因此王泽峰相信：“类似于一个基因可以通过可变剪接产生多个信使RNA异构体一样，一个信使RNA可能通过非帽依赖性翻译产生多种蛋白质。”
　　参与此项工作的合作者包括来自浙江大学、中科院上海生命科学学习院生物化学与细胞生物学学习所、华东理工大学和大连医科大学的科学家。