近日，Cell子刊 Trends in Neurosciences 在线发表了南方科技大学陈炜教授与马普学会Erin Schuman联合撰写的综述文章，分析汇总了环状RNA在大脑组织中表达状态的研究进展。神经系统，尤其是中枢神经系统中环状RNA研究比较多，从目前报道的结果来看似乎神经系统中环状RNA的含量相对更丰富一些。本文作者正是针对这一特殊现象针对目前在神经系统中环状RNA的主要进展进行分析汇总。

早在2014年，Rajewsky Nikolaus教授在Molecular Cell发表的文章中就用到神经组织特异性的环状RNA分析了环状RNA形成机制问题。在这篇文章中，Rajewsky Nikolaus教授发现了MBL介导的环状RNA竞争性形成机制模型，直接证明了反式作用因子参与调控环状RNA形成过程(Ashwal-Fluss et al., 2014)。

2014年，Eric C. Lai教授在Cell Reports杂志上发表文章，在果蝇大脑中分析了环状RNA的结构及分布状况，发现果蝇的大脑中环状RNA更容易在长片段内含子附近形成，也更容易在年老的大脑组织中聚集(Westholm et al., 2014)。

2015年，本文的作者之一，陈炜教授在Nature Neuroscience杂志发表文章分析了神经系统环状RNA的基本特征，发现小鼠神经系统中环状RNA含量更高，且突触相关的基因更易形成环状RNA。文中采用优化的高分辨率荧光原位杂交技术分析了环状RNA的分布情况，证明环状RNA更易定位于神经元的树突中(You et al., 2015)。

2015年，Rajewsky Nikolaus教授在Molecular Cell发表文章分析了哺乳动物脑组织中环状RNA的表达情况。发现哺乳动物大脑组织中大量存在环状RNA分子，伴随着大脑发育，环状RNA的表达会增高，尤其是在突触结构中(Rybak-Wolf et al., 2015)。

这一系列重要的研究表明了环状RNA与神经系统存在莫大的关系。问题来了，环状RNA为什么会更容易在神经系统中存在？环状RNA在神经系统中有什么特殊的作用？

神经系统中环状RNA丰度更高，存在组织特异性表达谱特征

针对不同组织深度测序数据的比较分析发现神经组织中更容易富集环状RNA。神经组织中约20%的编码蛋白的基因会有对应的环状RNA存在。

图1 神经组织中更容易富集环状RNA （来自(You et al., 2015)）

不同的神经组织区域中含量还有很大的差别，Rajewsky Nikolaus教授2015年的Molecular Cell文章中比较了纹状体，前额皮质，嗅皮质，小脑和海马组织中的环状RNA的表达情况，结果表明不同神经组织中环状RNA的表达谱差异非常明显。

图2 不同神经组织中环状RNA表达多样化特征明显（来自(Rybak-Wolf et al., 2015)）

陈炜教授针对这些大脑中特异存在的环状RNA进行Gene Ontology分析表明大部分环状RNA所对应的蛋白编码基因为突触相关基因。高分辨率荧光原位杂交实验也证实环状RNA不仅存在于神经元的胞体部位，也定位于神经元树突部位。

图3 高分辨率荧光原位杂交分析神经元中环状RNA定位特征（来自(You et al., 2015)）

为什么神经系统中环状RNA含量更高？

这可能要从环状RNA形成的机制说起。相关研究表明环状RNA更容易在较长的内含子周围形成，而神经系统中系统中重要的基因所携带的内含子往往较长，这为环状RNA的形成提供了更大的可能。此外，神经特异性的RNA结合蛋白很可能在环状RNA形成过程中起到重要作用，但目前已知的三种与环状RNA形成有关的RNA结合蛋白（MBL, QKI及ADAR1）似乎并不符合这一推测。但不排除有其他未发现的RNA结合蛋白促进了神经系统中环状RNA的形成和富集。总之，关于神经系统中环状RNA丰度更高的机制还没有研究清楚。

环状RNA在神经系统中发挥了什么作用？

陈炜教授在体外分化模型中分析了环状RNA随分化进程的变化情况，结果表明在突触形成的阶段会出现环状RNA爆发式升高的过程(You et al., 2015)。一些环状RNA的表达量并不受所对应的线性RNA表达量的影响，甚至出现表达状态相反的情况。这表明环状RNA的形成过程并非简单的线性RNA转录后加工的产物。有些环状RNA的形成与突触可塑性存在一定的关联性，具体机制还不清楚。此外，有些环状RNA存在一定的进化保守性。

总而言之，有几大特征暗示环状RNA在神经系统中扮演着非常特殊的角色：

1. 大部分环状RNA的表达丰度较低，但一些环状RNA的表达丰度较高，甚至超过了所对应的线性RNA的表达量。

2. 环状RNA的表达特征呈现细胞类型和发与分化状态特异性的特征。虽然这些环状RNA所对应的线性RNA在不同类型的细胞中均有表达，但所对应的环状RNA表达谱特征有非常明显的差别。

3. 有些环状RNA分子有高度保守的特征，甚至可以追溯到果蝇中都有同源性较高的环状RNA存在。这些特征暗示了环状RNA很可能存在目前尚未揭晓的重要功能。

图4 环状RNA伴随神经发育过程而富集（来自(You et al., 2015)）

环状RNA研究总体尚处于早期阶段，还有很多奇特的现象没有解释清楚。关于环状RNA为什么在神经组织中更高丰度，以及一些组织细胞特异性的环状RNA如何形成和如何发挥作用的问题，整体还没有太大的进展。目前已有成熟的过表达和敲低环状RNA的技术方法，专门针对这些“奇怪而有趣”的组织细胞特异性环状RNA设计相关实验分析它们的生理作用是接下来探索环状RNA在神经系统以及其他组织中作用的重要课题方向。

参考文献：

Ashwal-Fluss, R., Meyer, M., Pamudurti, N.R., Ivanov, A., Bartok, O., Hanan, M., Evantal, N., Memczak, S., Rajewsky, N., and Kadener, S. (2014). circRNA biogenesis competes with pre-mRNA splicing. Mol Cell 56, 55-66.

Rybak-Wolf, A., Stottmeister, C., Glazar, P., Jens, M., Pino, N., Giusti, S., Hanan, M., Behm, M., Bartok, O., Ashwal-Fluss, R., et al. (2015). Circular RNAs in the Mammalian Brain Are Highly Abundant, Conserved, and Dynamically Expressed. Mol Cell 58, 870-885.

Westholm, J.O., Miura, P., Olson, S., Shenker, S., Joseph, B., Sanfilippo, P., Celniker, S.E., Graveley, B.R., and Lai, E.C. (2014). Genome-wide Analysis of Drosophila Circular RNAs Reveals Their Structural and Sequence Properties and Age-Dependent Neural Accumulation. Cell Rep 9, 1966-1980.

You, X., Vlatkovic, I., Babic, A., Will, T., Epstein, I., Tushev, G., Akbalik, G., Wang, M., Glock, C., Quedenau, C., et al. (2015). Neural circular RNAs are derived from synaptic genes and regulated by development and plasticity. Nat Neurosci 18, 603-610.