Круговая РНК связана с функцией мозга

В то время как сотни кольцевых РНК (circRNA) в изобилии присутствуют в мозге млекопитающих, один главный вопрос оставался без ответа: для чего они на самом деле нужны? В текущем выпуске журнала Science Николаус Раевски и его команда из Берлинского института медицинской системной биологии (BIMSB) Центра молекулярной медицины им. Макса Дельбрюка (MDC), а также другие сотрудники MDC и клиники «Шарите», впервые представляют данные, связывающие кольцевую РНК с функцией мозга.

РНК — это не просто посредник между ДНК и белком. Существует несколько различных видов некодирующих РНК. Они могут быть длинными некодирующими РНК (lncRNA) или короткими регуляторными РНК (miR); могут мешать производству белка (siRNA) или помогать в этом (тРНК). За последние 20 лет ученые обнаружили около двух десятков разновидностей РНК, образующих сложные сети. Самые загадочные среди них — circRNA, необычный класс РНК, у которых «голова» соединена с «хвостом», образуя ковалентно замкнутое кольцо. Десятилетиями эти структуры считались редкими, но современные анализы РНК-секвенирования показали, что это большой класс РНК, который активно экспрессируется в тканях мозга.

Тысячи кольцевых РНК существуют у нематод, мышей и людей

В 2013 году в журнале Nature появились две основополагающие работы, охарактеризовавшие кольцевые РНК, одна из них — от команды Николауса Раевски. Интригующе, что большинство circRNA необычайно стабильны и могут находиться в цитоплазме часами и даже днями. Системные биологи предположили, что, по крайней мере иногда, circRNA участвуют в регуляции генов. Cdr1as — большая одноцепочечная РНК-петля длиной 1500 нуклеотидов — может действовать как «губка» для микроРНК. Например, она предоставляет более 70 сайтов связывания для микроРНК под названием miR-7. МикроРНК — это короткие молекулы РНК, которые обычно связываются с комплементарными последовательностями в матричных РНК, тем самым контролируя количество специфических белков, производимых клетками.

Кроме того, Раевски и его коллеги, проанализировав базы данных, обнаружили тысячи различных circRNA у нематод, мышей и людей. Большинство из них были высоко консервативны в ходе эволюции. «Мы нашли параллельную вселенную неисследованных РНК», — говорит Раевски. С момента публикации эта область исследований взорвалась; были проведены сотни новых исследований.

Понимание круга, который в основном присутствует в возбуждающих нейронах

Для текущей статьи в Science системные биологи объединились с лабораторией Кармен Бирчмайер в MDC, чтобы вновь изучить Cdr1as. «Этот конкретный круг можно найти в возбуждающих нейронах, но не в глиальных клетках», — говорит Моника Пивецка, один из первых авторов статьи и координатор большинства экспериментов. «В тканях мозга мышей и человека есть две микроРНК — miR-7 и miR-671, — которые связываются с ним». На следующем этапе Раевски и его коллеги селективно удалили circRNA Cdr1as у мышей с помощью технологии редактирования генома CRISPR/Cas9. У этих животных экспрессия большинства микроРНК в четырех изученных областях мозга осталась неизменной. Однако уровень miR-7 снизился, а miR-671 — повысился. Эти изменения были посттранскрипционными, что согласуется с идеей, что Cdr1as обычно взаимодействует с этими микроРНК в цитоплазме.

«Это указывает на то, что Cdr1as обычно стабилизирует или транспортирует miR-7 в нейронах, впитывая её, в то время как miR-671 может служить для регуляции уровня этой конкретной кольцевой РНК», — говорит Раевски. Если микроРНК свободно плавает в цитоплазме, она разрушается как отходы. Кольцо предотвращает это, а также переносит её в новые места, например, в синапсы. Он добавляет: «Возможно, нам следует думать о Cdr1as не как о «губке», а как о «лодке». Она предотвращает «утопление» своих пассажиров и также движется к новым портам».

Изменения в концентрации микроРНК оказали драматическое влияние на мРНК и белки, производимые нервными клетками, особенно на группу «генов немедленного раннего ответа». Они являются частью первой волны реакций, когда нейроны получают стимулы. Также были затронуты матричные РНК, кодирующие белки, участвующие в поддержании цикла сна-бодрствования у животных.

Cdr1as модулирует синаптические ответы

Используя одноклеточную электрофизиологию, исследователь из «Шарите» Кристиан Розенмунд обнаружил, что спонтанное высвобождение везикул в синапсе происходило в два раза чаще. Синаптические ответы на два последовательных стимула также изменились. Дополнительные поведенческие анализы, проведенные в MDC, подтвердили эти выводы. Хотя мыши во многих отношениях выглядели нормально, они были неспособны снижать свою реакцию на внешние сигналы, такие как шумы. Подобные нарушения преимпульсного торможения отмечались у пациентов, страдающих шизофренией или другими психическими заболеваниями.

Это повседневный опыт, показывающий, насколько мы зависим от этой фильтрующей функции: когда громкий шум внезапно нарушает тихую атмосферу библиотеки, невозможно не встревожиться. Однако тот же самый хлопок будет казаться гораздо менее угрожающим рядом со строительной площадкой. В этом случае мозг имел возможность обработать предыдущие шумы и отфильтровать ненужную информацию. Следовательно, стартл-рефлекс ослабляется (преимпульсное торможение). Эта базовая функция мозга, позволяющая здоровым животным и людям временно адаптироваться к сильному стимулу и избегать информационной перегрузки, теперь связана с Cdr1as.

«Функционально наши данные свидетельствуют о том, что Cdr1as и его прямое взаимодействие с микроРНК важны для сенсомоторного квотирования и синаптической передачи», — говорит Николаус Раевски. «В более общем плане, поскольку мозг — это орган с исключительно высоким и разнообразным уровнем экспрессии кольцевых РНК, мы считаем, что наши данные указывают на существование ранее неизвестного уровня биологических функций, выполняемых этими кругами».