近期，Dr. Guarnerio J等人在雜誌《Cell Research》上發表了一篇題為「Intragenic antagonistic roles of protein and circRNA in tumorigenesis」的文章，其影響因子為17.848。該研究針對Pokemon蛋白和circPOK的在間質腫瘤中的表達進行了研究，探究它們的異常表達與包括癌症在內的疾病發病機制的聯繫。
摘要:
circRNAs產生於mRNA加工過程中的反向剪接事件，當解除調控時可以在癌症中發揮積極作用。在此，我們描述了一種在間質腫瘤惡化的情況下由Zbtb7a基因(也被稱為Pokemon，LRF)編碼的新的circRNA(circPOK)。circPOK作為一種非編碼的原癌RNA獨立於其線性轉錄物，功能與其通過編碼Pokemon轉錄因子起到腫瘤抑制因子作用的線性轉錄物相反。我們發現circPOK通過共激活ILF2/3複合物來調節促增殖和促血管生成因子。重要的是，Pokemon蛋白和circRNA的表達在癌症中通過差異轉錄後調節後異常解耦合。因此，我們確定了一種新型的基因單位，iRegulon，它產生具有不同生物化學性質，功能不同且對立的環形和線形的RNA產物。我們的發現進一步擴大了細胞控制正常的生物輸出的功能範圍，而這些成分的異常表達可能是包括癌症在內的疾病發病機制的基礎。
技術路線總結：
結果：
1.CircPOK起源於Zbtb7a外顯子2的反向剪接
作者對總RNA進行RNase R處理，降解線性轉錄本，保留環狀轉錄本。圖1a為小鼠circPOK在原代p53 - / - MSCs中的表達分析，雖然RNase R處理顯著減少了線性轉錄本(LinPOK)，但由兩組獨立引物(circPOK_PR1和circPOK_PR2)測得的circPOK保持不變。圖1b為人circPOK在HS5間充質細胞系中的表達分析。為了評估Zbtb7a的線性剪接事件和反向剪接事件的比率，研究者在小鼠MSCs內對線性和環狀轉錄本進行了絕對量化，如圖1c所示。研究者們開發了一種通過原位雜交實現circRNA可視化的新方法(circFISH，圖1d)以研究circPOK在間充質細胞中的亞細胞定位。Zbtb7a的三個外顯子中的每一個都被標記有不同螢光報告子的探針平鋪。對於外顯子1和3(包含在線性轉錄本中但不包含在環形轉錄本中)退火探針使線性轉錄本(圖1中的紅色信號)能夠可視化，而針對外顯子2(圖1中的綠色信號)的探針使線性轉錄本和環狀轉錄本可以被區分。通過分析兩種報告子的共定位，我們能夠區分單個線性轉錄本(圖1中的黃色信號)和環狀轉錄本(圖1中的綠色信號)(圖1d-f)。以circPOK-null細胞(圖1e中的Cre細胞)或circPOK敲除細胞(圖1f中的shCircPOK細胞)作為對照。研究者們使用這種新的circFISH方法(圖1e，f)觀察到circPOK同時定位在細胞質和細胞核中，這也通過核/細胞質分離後的RT-qPCR分析證實(圖1g，h)。綜上所述，這些實驗表明circPOK是一種真正的circRNA，在間充質細胞和腫瘤中表達，並且定位於細胞質和細胞核，在那裡它可能發揮功能作用。
2.CircPOK和Pokemon蛋白在間質腫瘤中是解耦合的，它們在其中發揮獨立的作用
研究者們通過RT-qPCR分析未分化肉瘤和骨肉瘤中線形和環狀Pokemon的表達，並將結果與正常組織相比較。如圖2a所示，觀察到LinPOK和circPOK在腫瘤中的差異表達趨勢。
圖2b為Zbtb7aF/F位點的示意圖。在用CRE表達載體轉導後，將這些從小鼠體內提取的MSCs中的Pokemon蛋白和circPOK刪除。為了確定circPOK的可能功能，首先分離出p53-/-Zbtb7a_ex2f/F MSCs，並用表達Cre-重組酶的慢病毒載體在體外轉導它們，該慢病毒載體缺失Zbtb7a_ex2(圖2b)。隨後，將circPOK(circPOK-GTG載體)或Pokemon蛋白(CDNA Pok)添加回空白MSCs(圖2c，d)，以研究circRNA和蛋白質的具體作用。通過採用這種Add back方法，能夠在Zbtb7a缺失細胞中重新表達Zbtb7a的線性和環狀轉錄本，並獲得與野生型p53-/-MSCs中測量的正常內源性水平相當的線性和環形轉錄本的表達水平(圖2d)。使用這個Pokemon-蛋白質翻譯起始密碼子ATG誘變載體(circPOK-GTG)在所有的實驗中表達circPOK。用所有這些載體轉導的原代p53-/-Zbtb7a_EX2F/F-Cre MSCs進行體外和體內試驗。基於將MSCs植入同源小鼠的3D支架內的方案(圖2e) ，進一步研究circPOK是否以及如何在體內促進腫瘤的形成。左邊是體內腫瘤發生實驗的示意圖；中間的圖表為空白載體，circGFP，cDNA Pok-gfp，circPOK和circPOK-SDmut載體中p53-/-Zbtb7a_EX2F/F-CRE MSCs生成的腫瘤的相對大小；右側為H&E和Ki-67染色腫瘤切片的代表性圖片。
這些實驗表明circPOK和Pokemon蛋白可能在間質腫瘤中發揮獨立和相反的作用。雖然Pokemon蛋白在間質腫瘤中起到腫瘤抑制因子的作用，但是circPOK可能發揮促進腫瘤形成的原癌功能。
3.CircPOK在間充質腫瘤中起原癌作用
為了測試circPOK是否真的可以作為間質腫瘤中的原癌因子，研究者在不同的實驗設計中針對p53-/- MSCs中的circPOK。圖3a為用於選擇性針對circPOK或LinPOK的實驗設計原理圖。僅針對LinPOK轉錄本的shRNA被表示為SH3『-UTR，針對線性和環形轉錄本的shRNAs表示為shEx2。為每個目標設計了三個shRNAs，選擇了其中兩個具有較強OnTarget活性的shRNA進行功能實驗(圖3b)。如圖3c所示，在錨定非依賴性生長實驗中，僅線性轉錄物(sh3『-UTR)表達丟失的p53-/- MSCs能夠比兩種RNA亞型表達丟失的細胞(Shex2)形成更大的集落。圖3d為通過針對circRNA back-splice剪接點的shRNA或LNAs阻斷circPOK表達的策略原理概述。圖3e為小鼠MSCs(ShCircPOK)中用shRNAs敲除circPOK後circPOK和LinPOK的表達水平(shCircPOK)。當circRNA在表達circPOK的p53-/-MSCs中沉默時，在正常和錨定非依賴性生長條件下，細胞顯示出明顯的增殖潛能受損(圖3f)。除了靶向背接連接的shRNA外，研究者們在獨立和互補的實驗中使用LNA-Gapmer專門針對circPOK(圖3g)。與shCircPOK觀察結果一致，當LNAs削弱circPOK的表達時，細胞增殖顯示出下降(圖3h)，這證實了研究者們的假設，即特異性靶向circPOK可以有益於肉瘤的治療。
4.CircPOK與核RNA結合蛋白相互作用
為了研究circPOK通過直接結合來調節RNA結合蛋白的功能，研究者們通過體外轉錄測定(起源於circPOK)對Zbtb7a外顯子2進行生物素化，使用抗生物素磁珠將其下拉，並對下拉進行質譜分析，以鑑定預測的circPOK相互作用蛋白。圖4a為與Zbtb7a_Ex2相互作用的RNA結合蛋白的質譜分析，Zbtb7a_Ex2是通過體外轉錄試驗產生的。ILF2和ILF3被選為目標。
假設circPOK可以通過調節ILF2和ILF3致癌功能發揮作用。研究者將circRNA可視化的circFISH協議與ILF3蛋白的免疫螢光染色相結合，證明了circPOK可以與細胞核中的ILF2/3複合物共定位(圖4b)。通過ChIRP(RNA純化的染色質分離)分析下拉內源性circPOK，並對下拉材料進行western blot分析以檢測ILF2和ILF3蛋白(圖4c)。綜上所述，這些實驗表明內源性circPOK可以與MSCs中的ILF2和ILF3相互作用。這些相互作用主要發生在細胞核中，ILF2和ILF3主要集中在細胞核中。
研究者們進行了ELISA以研究circPOK通過ILF2/3調節間充質腫瘤細胞的「分體組」的可能性 (圖4d)。圖4e，f分別為IHC檢測和流式細胞術分析表達circGFP或circPOK的腫瘤內CD31+內皮細胞的結果。如圖4g所示，與對照組相比，ILF3沉默表達的細胞產生的腫瘤更小；重要的是，IHC分析顯示血管生成減少(圖4h)。綜上所述，這些實驗表明circPOK可以將ILF2/3複合物結合在細胞核內，通過改變提供增殖優勢的細胞因子的表達，促進該複合物的致癌功能，並促進血管生成。
5.CircPOK是ILF2/3複合物的協同激活物
假設circPOK可能會影響ILF2/3複合物的功能，而不是它的形成。為了研究這種可能性，首先分析了ELISA中確認的被circPOK去調節的蛋白質的mRNAs是否可以被ILF2/3控制(圖4d)。用shRNAs沉默MSCs中ILF2/3的表達，然後分析這些mRNAs的表達。在沒有ILF2/3的情況下，細胞因子IL6和VEGF的mRNA和蛋白質水平降低，但在circPOK存在時增加(圖5a)。然後確定circPOK-ILF2/3複合物是否可以在轉錄或轉錄後影響這些mRNA。圖5b為與ILF2相關的幾種細胞因子和血管生成因子的mRNAs的相對表達(從表達circGFP或circPOK的MSCs中下拉)。然後，用actinomycin-D處理細胞以阻斷轉錄，並在此背景下測量mRNAs IL6和Vegf.的穩定性。如圖5c所示，circPOK的存在治療時增加了IL6和VEGF mRNAs的表達。這些實驗表明circPOK可以促進ILF2/3結合mRNAs的能力，特別是IL6和Vegf.的mRNAs，並穩定它們的mRNAs。圖5d為ChIRP分析測定IL6、Vegf和Cxcl10啟動子區域的內源性circPOK的佔有率的結果。結果清楚地表明ILF2/3可以結合IL6的近端啟動子區域，並且重要的是，它們在啟動子中的佔有率可以被circPOK增強(圖5e)。圖5 f為在正常條件下或在腫瘤發生過程中Pokemon蛋白和circPOK的對立作用的示意圖(左圖)；Pokemon蛋白(腫瘤抑制因子)和circPOK(原癌基因)在間充質細胞腫瘤發生過程中所起作用的示意圖，以及它們的相關作用機制(右圖)。總之，這些實驗表明circPOK可能作為ILF2/3複合物的協同激活劑，並且可以增強ILF2/3在介導mRNA轉錄和穩定性方面的活性。
謝謝！
課題整包|甲基化|高通量測序|分子生物學實驗|細胞功能