Nature子刊 | 中国科学技术大学单革/重庆大学黄川发现输出蛋白4的消耗导致环状RNA的核积累

许多RNA从细胞核中输出，其异常会导致细胞并发症和疾病。数以千计的环状RNA(circRNA)如何从细胞核中输出仍然难以捉摸。

2022年10月2日，中国科学技术大学单革及重庆大学黄川共同通讯在Nature Communications 发表题为“Exportin 4 depletion leads to nuclear accumulation of a subset of circular RNAs”的研究论文，该研究提供了一系列证据来证明保守的Exportin4(XPO4)与后生动物中一部分circRNA的核输出之间的联系。具有较高表达水平、较大长度和较低GC含量的外显子circRNA（ecircRNA）对XPO4缺乏更敏感。

XPO4的细胞不足会导致核circRNA积累、circRNA:DNA(ciR-loop)形成、线性RNA:DNA(liR-loop)积累和DNA损伤。已知调节circRNA输出的DDX39可以解析ciR-loop，并且参与circRNA生物发生的剪接因子也可以影响ciR-loop的水平。Xpo4杂合小鼠表现出雄性不育和神经表型。在Xpo4杂合子的睾丸和海马中观察到ciR-loop、R-loop和DNA损伤水平的增加以及细胞数量的减少。该研究阐明了对circRNA输出机制的理解，并揭示了circRNA高效核输出在细胞生理学中的意义。

环状RNA( circRNA )是共价闭合的单链RNA，由真核细胞中的各种机制从线性前体产生。在动物中，circRNA有四个亚类：外显子circRNA(ecircRNA)、外显子-内含子circRNA(EIciRNA)、内含子衍生的circRNA和线粒体编码的circRNA(mecciRNA) 。EIciRNAs由外显子和内含子序列组成，ecircRNAs由外显子序列形成，是通过细胞核中的反向剪接产生的，而ecircRNAs占真核circRNAs的大部分。EcircRNA主要定位于细胞质。尽管有证据表明核输出过程受称为果蝇Hel25E的DDX解旋酶及其哺乳动物同源物DDX39A和DDX39B调节，但数千个ecircRNA被转运到细胞质中的机制仍然难以捉摸。

蛋白质和RNA的细胞内转运由核质载体（受体）介导。这些载体包括将货物从细胞质运输到细胞核的输入蛋白(XPO )和将大分子从细胞核运输到细胞质的输出蛋白( XPO )。哺乳动物中的XPO家族由7个成员组成。对于RNA，XPO1(CRM-1)以依赖于eIF4E/CRM1的方式参与某些mRNA的输出，尽管大多数mRNA以独立于CRM1的方式输出。DDX39依赖的mRNA输出也被认为是不依赖CRM1和依赖Nxf1的。XPO-T，也称为XPO3，介导tRNA的输出。XPO5输出microRNA前体。然而，每种出口蛋白通常不只针对一类货物，而是通常具有不同类型的蛋白质和RNA底物。核RNA的有效输出对于细胞稳态至关重要，输出异常与多种人类疾病有关，例如神经系统疾病和癌症。

在哺乳动物中，大脑和睾丸是ecircRNA丰度最高的器官。单个ecircRNA，例如小鼠中的circSry和动物和人类中的circBoule已被证明在睾丸中发挥作用。在哺乳动物神经元中，neuropils富含ecircRNA，从而表明主动运输和定位机制。敲除单个circRNA，例如富含细胞质和大脑特异性的circRNACdr1as，会导致兴奋性突触传递、记忆和探索行为异常。最近还有一个论点，即基于哺乳动物的进化分析，大多数circRNA可能是非功能性的并且是剪接“错误” 。另一方面，circRNA的失调也被证明与一系列人类疾病有关，包括退行性疾病，如阿尔茨海默病，而circRNA水平的变化与衰老等生理过程有关。

在这项研究中，通过筛选哺乳动物和果蝇细胞中的已知输出蛋白，将保守的输出蛋白4(XPO4)确定为调节ecircRNA子集核输出的重要调节因子。进行了进一步的实验以证明XPO4在动物细胞中ecircRNA核输出中的作用。一系列分析表明，哺乳动物细胞中XPO4的敲除导致ecircRNA的核积累，这引发了circRNA的普遍形成：基因组DNA杂合体和DNA损伤。在果蝇细胞中敲除XPO4会产生类似的效果。足够水平的XPO4对哺乳动物至关重要，尤其是睾丸和大脑，这两个器官具有最高的ecircRNA丰度。XPO4杂合小鼠表现出雄性不育，且ciR-loops、R-loops、在睾丸中观察到DNA损伤。XPO4杂合小鼠也表现出神经缺陷。

在哺乳动物和果蝇细胞中进行筛选，鉴定出ecircRNA输出中的XPO4（图源自Nature Communications ）

总之，研究结果揭示了XPO4在ecircRNAs核输出中的保守作用，并证明ecircRNAs的有效核输出对动物和人类细胞至关重要。该研究阐明了对circRNA输出机制的理解，并揭示了circRNA高效核输出在细胞生理学中的意义。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33356-z

转自：“iNature”微信公众号

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