КОЛЬЦЕВЫЕ РНК

Влияние на функцию головного мозга

Monika Piwecka, Petar Glazar, Luis R. Hernandez-Miranda et al. Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function. Science, 2017; eaam8526 DOI:10.1126/science.aam8526

Cdr1as is a brain-enriched circular RNA, expressed in hundreds of copies within neurons and essential for maintaining normal brain function.

Genetic ablation of the Cdr1as locus in mice led to deregulation of miR-7 and miR-671 in the brain, up-regulation of immediate early genes, synaptic malfunctions, and a deficit in prepulse inhibition of the startle reflex, a behavioral phenotype associated with neuropsychiatric disorders.

Поскольку сотни циркулярных РНК circular RNAs (circRNAs) обнаруживаются в изобилии в головном мозге, возникал вопрос, для чего. В данной работе представлены данные связи circRNAsс функцией головного мозга.

РНК больше, чем обычных мРНК между ДНК и кодируемым ими белком. В самом деле, имеются несколько разного типа некодирующих молекул РНК. Они могут быть длинными некодирующими РНК (lncRNAs) или короткими регуляторными РНК (miRs); они могут влиять на продукцию белка (siRNAs) или помогать делать это возможным (tRNAs). В последние 20 лет ученые открыли около двух десятков вариантов РНК, которые формируют сложные сети внутри молекулярного микромира. Наиболее загадочными среди них являются circRNAs, необычный класс РНК, чьи головки соединены с их хвостами, чтобы сформировать ковалентно замкнутое кольцо. Эти структуры долго время не принимали в расчет, как редкие, экзотические виды РНК. Современный анализ секвенирования РНК установил, что они являются крупным классом РНК, который экспрессируется на высоком уровне в ткани головного мозга.

Thousands of circular RNAs exist in nematode worms, mice and humans

В 2013 осущеcтвлены два пионерских исследования, которые охарактеризовали циркулярные РНК. Удивительно, большинство циркулярных РНК необычно стабильны, плавают в цитоплазме часы и даже несколько дней. Было предположено, что, по крайней мере, частично -- circRNAs участвуют в регуляции генов. Cdr1as, купная однонитчатая петля, состоящая примерно из 1500 нуклеотидов, может действовать как "губка" для микроРНК. Напр., она предоставляет более 70 сайтов связывания для микроРНК, наз. miR-7. МикроРНК являются короткими молекулами РНК, которые обычно соединяются с комплементарными последовательностями в мРНК, тем самым контролируют количества специфических белков, продуцируемых клетками.

Кроме того, Rajewsky с сотр. заложили базы данных и открыли тысячи разных circRNAs у нематод, мышей и людей. Большинство из них были высоко законсервированными в ходе эволюции. "Мы нашли параллельный микромир неисследованных РНК," говорит Rajewsky.

Understanding a circle that is mostly present in excitatory neurons

В др. работе в Science, системные биологи, руководимые Carmen Birchmeier's из лаб. MDC реконструировали Cdr1as. "Это особое кольцо может обнаруживаться в возбудимых нейронах, но не в глиальных клетках," говорит Monika Piwecka. "В ткани головного мозга мышей и людей имеются две микроРНК, наз. miR-7 и miR-671 , которые с ней соединяются." На след. ступени, Rajewsky с сотр. избирательно делетировали circRNA Cdr1as у мышей, используя технологию редактирования генома CRISPR/Cas9. У таких животных экспрессия большинства микроРНК в 4-х изученных регионах головного мозга microRNAs оставалась неизменной. Однако, miR-7 подавлялась, а активность miR-671 усиливалась. Эти изменения возникали после транскрипции, что согласуется с идеей, что Cdr1as обычно взаимодействует с этими микроРНК в цитоплазме.

"Это указывает на то, что Cdr1as обычно стабилизируют или транспортируют miR-7 в нейроны после их впитывания как губка, тогда как miR-167 может регулировать уровни этой особой циркулярной РНК," говорит Rajewsky. Если микроРНК плавает в цитоплазме не связанная с чем либо, то она д. разрушаться как отходы. Циркулярная структура препятствует этому и позволяет ей перемещаться в новые места, такие как синапсы. Он добавляет: "Возможно мы должны подозревать, что Cdr1as действует не как 'губка', а как 'судно.' Она защищает своих пассажиров от утопления и перемещает их в новые порты."

Изменения в концентрации микроРНК вызывают драматические эффекты на мРНК и белки, продуцируемые нервными клетками, особенно для группы т.наз. "immediate early genes." Они являются частью первой волны реакции, когда стимулы воздействуют на нейроны. Также затрагивались мРНК, кодирующие белки, участвующие в поддержании у животных циклов сна и активности (sleep-wake).

Cdr1as modulates synaptic responses

Используя электрофизиологию одиночных клеток, Christian Rosenmund наблюдал, что спонтанные пузырьки высвобождаемые в синапсах, возникают вдвое чаще. Синаптические реакции на два последовательных стимула также изменяются. Дополнительный анализ поведения, осуществленный в лаб. MDC продублировал эти находки. Даже если мыши выглядят нормальными во многих отношениях, они оказываются неспособными снижать уровни своих реакций на внешние сигналы, такие как шумы. Сходные нарушения обнаруживаются в pre-pulse подавлении у пациентов, страдающих от шизофрении и др. психиатрических болезней.

Это повседневный опыт, как сильно мы зависим от этой фильтрующей функции: когда громкие шумы внезапно нарушают спокойную атмосферу библиотеки, вы не можете избежать тревоги. Тот же самый сильный удар будет менее угрожающим вблизи строительной площадки. В этом примере головной мозг обладает возможностью преобразовывать предыдущие шумы и отфильтровывать излишнюю информацию. Следовательно, рефлекс Моро, заглушается (pre-pulse подавление). Основная функция головного мозга, позволяющая здоровым животным и людям временно адаптироваться к сильным стимулам и избегать информационных перегрузок, теперь может быть связана с Cdr1as.

"Функционально наши данные подтверждают, что Cdr1as и её непосредственные взаимодействия с микроРНК важны для сенсорно-двигательной реакции и синаптической трансмиссии," говорит Nikolaus Rajewsky. "В более общем смысле, поскольку головной мозг является органом с исключительно высокой и разнообразной экспрессией кольцевых РНК, то мы полагаем, что наши данные подтверждают существование ранее неизвестного слоя биологических функций, выполняемых этими кольцами."