2022年6月29日，中科院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所王澤峰研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志在線發(fā)表了題為“Pervasive translation of circular RNAs driven by short IRES-like elements”的研究論文，報(bào)導(dǎo)了環(huán)形RNA翻譯的新機(jī)理。該研究通過對(duì)隨機(jī)序列的篩選，系統(tǒng)性鑒定出多個(gè)類IRES（內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)）元件來驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA的翻譯，并進(jìn)一步通過分析質(zhì)譜數(shù)據(jù)，鑒定出近千個(gè)能翻譯的內(nèi)源性環(huán)形RNA，其中一半可通過滾環(huán)翻譯來合成大分子量的蛋白。此研究表明在人的轉(zhuǎn)錄組中存在普遍的非帽依賴性翻譯（cap-independent translation）事件。
環(huán)形RNA是一類在動(dòng)植物中保守且豐度高的共價(jià)閉環(huán)RNA，在體內(nèi)可通過不同機(jī)理發(fā)揮多種功能。環(huán)形RNA在傳統(tǒng)上被認(rèn)為是一種非編碼RNA，在2014年，北卡羅來納大學(xué)的王澤峰和汪洋首次報(bào)導(dǎo)了環(huán)形RNA在細(xì)胞內(nèi)可通過非帽依賴的機(jī)理來翻譯成蛋白。這種翻譯通常需要IRES元件來驅(qū)動(dòng)，但天然存在的IRES序列大多集中于病毒基因組中，真核生物轉(zhuǎn)錄組中已知的IRES元件十分罕見。該研究組后續(xù)工作中，發(fā)現(xiàn)RNA甲基化修飾m6A可以通過reader 蛋白來招募翻譯起始因子，來驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA的翻譯（Cell Research, 2017）。然而某些沒有m6A序列的負(fù)對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)了一些翻譯的產(chǎn)物。暗示著還有其他的可驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA翻譯的未知序列。
本研究開發(fā)了一種基于細(xì)胞的新篩選系統(tǒng)，可以無偏好地從隨機(jī)序列中鑒定出能驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA翻譯的類IRES元件。且與線性mRNA相比，這些元件在環(huán)形RNA中顯著富集，表明這些元件在進(jìn)化過程中被環(huán)形RNA保留下來。由于類IRES元件在所有隨機(jī)序列中占比約為2%（97/4096），概率上任何長(zhǎng)于50個(gè)堿基的序列均可能包含一個(gè)類IRES元件，這暗示了多數(shù)環(huán)形RNA能利用類IRES元件進(jìn)行翻譯。此外，本研究還鑒定出數(shù)十個(gè)特異性識(shí)別這類類IRES元件的RNA結(jié)合蛋白，這些蛋白的結(jié)合可以驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA翻譯。通過質(zhì)譜分析，本研究鑒定出上百個(gè)環(huán)形RNA編碼的蛋白，其中一半環(huán)形RNA能進(jìn)行滾環(huán)翻譯。綜上所述，本研究表明在環(huán)形RNA中存在大量驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA翻譯的類IRES元件，這暗示了翻譯可能是環(huán)形RNA的主要功能之一，并說明非帽依賴性翻譯遠(yuǎn)比目前所知的更普遍，也從另一個(gè)角度上支持了蛋白質(zhì)組中的“暗物質(zhì)”概念。
中科院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所王澤峰研究員為文章通訊作者，樊曉娟博士、楊赟博士、陳楚赟博士研究生為文章共同第一作者。上述研究工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院等科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31327-y
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圖：類IRES元件驅(qū)動(dòng)環(huán)形RNA的翻譯
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