2020年1月3日，中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院趙方慶團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表題為Accurate quantification of circular RNAs identifies extensive circular isoform switching events 的文章。該研究開(kāi)發(fā)了環(huán)形RNA定量和差異表達(dá)分析的新方法——CIRIquant。與常用的環(huán)形RNA分析軟件相比，CIRIquant可以更準(zhǔn)確對(duì)環(huán)形RNA轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行識(shí)別和定量，并為環(huán)形RNA的差異表達(dá)分析提供了便捷的一站式分析工具。

環(huán)形RNA是一類在真核生物中廣泛存在的具有特殊環(huán)狀結(jié)構(gòu)的非編碼RNA分子。已有文獻(xiàn)表明，在生物體內(nèi)，環(huán)形RNA有著miRNA海綿、RBP海綿以及翻譯短肽等多項(xiàng)功能，在許多生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。目前研究表明，大部分環(huán)形RNA來(lái)源于蛋白編碼基因的外顯子區(qū)域。在pre-mRNA剪接的過(guò)程中，除典型的內(nèi)含子剪接事件外，還可能會(huì)發(fā)生5’端到3’端的反向剪接事件，從而形成環(huán)形RNA。因此，剪接產(chǎn)物中環(huán)形RNA所占比例是環(huán)形RNA分析的重要指標(biāo)之一，具有高成環(huán)比例的環(huán)形RNA分子，可能具有更加重要的生物學(xué)功能。同時(shí)，同一基因內(nèi)部也可能產(chǎn)生多種不同的環(huán)形RNA，基因內(nèi)對(duì)環(huán)形RNA產(chǎn)生位點(diǎn)的使用偏好，也在一定程度上反映了轉(zhuǎn)錄過(guò)程對(duì)環(huán)形RNA產(chǎn)生的調(diào)控。因此，環(huán)形RNA轉(zhuǎn)錄本水平的準(zhǔn)確定量，是目前環(huán)形RNA分析的重要基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，趙方慶團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了CIRIquant。根據(jù)該算法鑒定出的環(huán)形RNA成環(huán)位點(diǎn)信息，研究人員重構(gòu)了具有反向剪接特征的環(huán)形RNA參考序列，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的反向剪接位點(diǎn)比對(duì)問(wèn)題，并結(jié)合測(cè)序讀段比對(duì)到參考基因組和環(huán)形序列的結(jié)果，篩選出了高置信度的來(lái)自環(huán)形RNA的讀段，解決了目前環(huán)形RNA識(shí)別和定量方法中準(zhǔn)確度低和假陽(yáng)性率高的問(wèn)題。作者在模擬數(shù)據(jù)和真實(shí)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中，對(duì)多種常用環(huán)形RNA識(shí)別軟件的表現(xiàn)進(jìn)行了綜合評(píng)估，發(fā)現(xiàn)該研究中開(kāi)發(fā)的方法在環(huán)形RNA表達(dá)量和成環(huán)比例的計(jì)算中，均取得了最佳的結(jié)果。

接著，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)環(huán)形RNA建庫(kù)過(guò)程中常用的RNase R處理效率進(jìn)行了擬合和校正，從而在RNase R處理后的樣本中，消除了RNase R處理步驟引入的偏差，取得了更準(zhǔn)確的定量結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)環(huán)形RNA的差異表達(dá)計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新的評(píng)估表達(dá)水平和剪接傾向變化程度的打分方法。

利用上述方法，研究人員在三個(gè)剪接因子較低的HeLa細(xì)胞和20對(duì)肝癌-癌旁樣本中，發(fā)現(xiàn)了兩類線性-環(huán)形比例和成環(huán)位點(diǎn)使用偏好發(fā)生變化的環(huán)形RNA。這兩類環(huán)形RNA在成環(huán)比例以及基因內(nèi)成環(huán)位點(diǎn)使用水平上具有非常顯著的改變，反映了環(huán)形RNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程以及轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控情況的變化。此外，在阿爾茲海默癥以及腎細(xì)胞癌的樣本中，研究人員也發(fā)現(xiàn)了這兩類事件的廣泛存在，說(shuō)明這兩類環(huán)形RNA可能擁有更加重要的生物學(xué)功能。

該研究在轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)了環(huán)形RNA的準(zhǔn)確識(shí)別和定量，并對(duì)環(huán)形RNA差異表達(dá)分析方法進(jìn)行了改進(jìn)，提供了便捷的分析流程，為后續(xù)具有潛在功能的環(huán)形RNA篩選提供了重要的方法學(xué)工具。

該工作由趙方慶課題組的研究生張金陽(yáng)、陳帥和楊靜雯完成，并得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委及中科院的經(jīng)費(fèi)支持。趙方慶團(tuán)隊(duì)在前期的工作中建立了環(huán)形RNA識(shí)別、轉(zhuǎn)錄本組裝、可變剪接檢測(cè)及定量等方法，相關(guān)工作發(fā)表在Genome Biology (2015)、Nature Communications (2016，2020)、Briefings in Bioinformatics (2017)、Trends in Genetics (2018)、Genome Medicine (2019)和Cell Reports (2019)。這些研究豐富了人們對(duì)環(huán)形RNA的組成及結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，為深入了解這一嶄新類型的非編碼RNA分子提供了重要工具和數(shù)據(jù)支持。

論文鏈接

圖1. CIRIquant算法流程

圖2. RBP介導(dǎo)的線性與環(huán)形轉(zhuǎn)錄本的競(jìng)爭(zhēng)性剪接