2月17日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Molecular Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）陳玲玲研究組與復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院楊力研究組關(guān)于內(nèi)源環(huán)形RNA降解的最新研究進(jìn)展: “Degradation of circular RNA by the ribonuclease DIS3”。該研究解析了生理?xiàng)l件下環(huán)形RNA被核酸內(nèi)切酶DIS3監(jiān)控降解的新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)形RNA“生老病死”過(guò)程中特異調(diào)控及分子特征等基礎(chǔ)研究的閉環(huán)。
環(huán)形RNA主要由mRNA前體外顯子反向剪接而成，具有區(qū)別于線性RNA的生成加工、轉(zhuǎn)運(yùn)代謝及功能發(fā)揮途徑與調(diào)控規(guī)律（見(jiàn)綜述Annu Rev Cell Dev Biol 2022; Cell?2022）。已知在應(yīng)激條件下，雙鏈RNA病毒激活核酸酶RNase L可以導(dǎo)致環(huán)形RNA 大規(guī)模降解（Cell 2019）。然而正常條件下，僅有個(gè)別含m6A修飾或具特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)形RNA可以被降解（見(jiàn)綜述Nat Rev Mol Cell Biol 2020）。因此，正常條件下環(huán)形RNA代謝穩(wěn)態(tài)維持的分子機(jī)制尚不清楚。
由于環(huán)形RNA的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為其對(duì)核酸外切酶不敏感，而是依賴于核酸內(nèi)切酶。基于該推測(cè)，研究人員首先通過(guò)對(duì)不同核酸內(nèi)切酶（包括ANG, DIS3, ERN1, G3BP1, RNASE4, RNAESH2A和SMG6）以及輔因子（UPF1和UPF2）敲降篩選，發(fā)現(xiàn)敲降核酸內(nèi)切酶DIS3引起細(xì)胞內(nèi)大部分（> 65%）環(huán)形RNA的表達(dá)上調(diào)。研究人員通過(guò)使用核酸內(nèi)切酶失活的DIS3突變體（D146N）進(jìn)行回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和RNA Immunoprecipitation (RIP)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這些環(huán)形RNA的表達(dá)上調(diào)依賴DIS3的核酸內(nèi)切酶活性，且DIS3能夠直接結(jié)合由DIS3敲降引起的表達(dá)上調(diào)的環(huán)形RNA。更進(jìn)一步的研究表明，DIS3介導(dǎo)的環(huán)形RNA降解途徑在人和小鼠中高度保守。
已知，DIS3具有核酸內(nèi)切酶活性和3'-5'端的核酸外切酶活性，在從細(xì)菌到人等大多數(shù)生物中廣泛存在。之前研究認(rèn)為DIS3是核酸外切酶復(fù)合體（exosome complex）的重要組分，在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮調(diào)控RNA加工、成熟及質(zhì)量監(jiān)控的作用（見(jiàn)綜述Nat Rev Mol Cell Biol 2016） 。然而深入研究發(fā)現(xiàn)，DIS3具有不依賴于核酸外切酶復(fù)合體，在細(xì)胞漿內(nèi)降解環(huán)形RNA的全新途徑和機(jī)制。研究人員首先通過(guò)蔗糖密度梯度離心實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DIS3介導(dǎo)的環(huán)形RNA降解途徑發(fā)生在細(xì)胞漿中；免疫熒光共定位發(fā)現(xiàn)，僅有10%的DIS3與核酸外切酶復(fù)合體組分（如EXOSC8和EXOSC9）共定位，提示DIS3具有不依賴于核酸外切酶復(fù)合體的功能。其次，通過(guò)結(jié)合蔗糖密度梯度離心實(shí)驗(yàn)、DIS3敲降實(shí)驗(yàn)和高通量測(cè)序，對(duì)篩選出DIS3偏好降解的環(huán)形RNA與非DIS3偏好降解的環(huán)形RNA進(jìn)行深入的序列比較分析，鑒定到具有U-rich motif的環(huán)形RNA易被DIS3識(shí)別和降解。更重要的是，通過(guò)建立環(huán)形RNA的切割實(shí)驗(yàn)，證明了體外合成的環(huán)形RNA在體外和細(xì)胞內(nèi)均有可控的穩(wěn)定性，即含有U-rich 基序數(shù)目不同，可改變環(huán)形RNA的穩(wěn)定性，且該過(guò)程依賴DIS3的活性。
綜上，該工作不僅揭示了正常細(xì)胞狀態(tài)下DIS3介導(dǎo)的全轉(zhuǎn)錄組水平環(huán)形RNA降解的新途徑，發(fā)現(xiàn)了DIS3不依賴于核酸外切酶復(fù)合體的全新功能，也為體外合成穩(wěn)定性可控的環(huán)形RNA奠定重要理論基礎(chǔ)，有利于拓展其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。該工作揭示的生理?xiàng)l件下環(huán)形RNA被監(jiān)控降解的全新機(jī)制也是該研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十余年系統(tǒng)完成的對(duì)環(huán)形RNA從生成加工、功能發(fā)揮、轉(zhuǎn)運(yùn)出核、合成應(yīng)用、到代謝降解等過(guò)程研究中的重要一環(huán)。
分子細(xì)胞卓越中心陶笑博士，中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所博士研究生翟思楠，分子細(xì)胞卓越中心劉楚霄副研究員為該論文的共同第一作者，分子細(xì)胞卓越中心陳玲玲研究員為該論文的主要通訊作者，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院楊力研究員為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委以及新基石科學(xué)基金會(huì)的支持，獲分子細(xì)胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)和化學(xué)生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)的幫助與支持。
文章鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(25)00046-2
核酸內(nèi)切酶DIS3降解環(huán)形RNA及其機(jī)制
