QB期刊 |轉錄組層面上RNA-RNA相互作用(RRI)的研究進展及機遇綜述

最近關注CNS的同學們一定對「Phase Separation」這個詞相當眼熟。這個單詞翻譯成中文就是「相變」或「相分離」。對，你沒有看錯，就是這個物理化學領域的術語。但最近，這個術語在生命科學領域也掀起了「熱浪」。因為據不完全統計，從2018年1月到現在，關於該方面的研究已經有20多項工作分別發表在了Science、Nature或Cell上（對這個領域還不知道的同學，趕緊點擊這裡，先腦補一下哦）。其中Science上的「mRNA structure determines specificity of a polyQ-driven phase separation」這篇文章中就明確提到，RNA及其參與的相互作用是「Phase Separation」 的重要驅動，在生物體的生老病死中都扮演著關鍵的角色【1】。那麼，問題來了，現在RNA相互作用的研究進展如何？都有哪些方法和技術呢？研究的難點又有哪些呢？

        近日，來自清華大學張強鋒教授的團隊在Quantitative Biology期刊上撰文「Advances and challenges towards the study of RNA-RNA interactions in a transcriptome-wide Scale」【2】

譯文概要

        RNA分子作為

遺傳

信息的傳遞者，能夠指導蛋白質的合成。除了這一項基本的功能，越來越多的研究表明，RNA分子能在不同層次上調控生物學過程。其功能模式，主要依賴於和細胞內其他分子的相互作用。比如通過和DNA序列結合調控靶標區域附近基因的表達【3】，在可變剪接過程中snRNA（small nuclear RNA）可識別並結合mRNA前體以剪切掉內含子序列【4】，還可與大量的RNA結合蛋白（RBP，RNA binding protein）結合形成RNP複合體【5】等。

        在本文中，我們首先介紹了三類基本的RNA-RNA相互作用檢測技術，第一類是基於RNA分子的理化或細胞性質的低通量方法，包括凝膠遷移（EMSA）、表面等離子共振（SRP）、單分子螢光共振能力轉移（single molecule FRET）、蔗糖梯度共沉澱和

酵母

RNA雜交系統等方法（如圖1）。該技術雖然能夠檢測兩個RNA分子是否相互作用，準確性較高，但是無法提供具體的作用位點信息。

圖1. 基於RNA分子的理化或細胞性質的RNA-RNA相互作用檢測技術

        第二類是基於測序的高通量靶標方法（如圖2）。這類方法主要是先交聯上相互作用的RNA，然後通過抗體富集特定蛋白介導的RNA相互作用，如檢測AGO蛋白介導的

miRNA

參與相互作用的CLASH【6】，Hfq蛋白介導的RNA相互作用的RIL-seq【7】和已用於檢測與Staufen1蛋白結合的RNA二級結構的HiCLIP【8】；或者通過探針序列富集出靶標RNA參與的RNA相互作用，如RIA-seq【9】和RAP【10】，RAP中更長的探針能夠大幅度降低非特異性的相互作用。這類方法是

高通量技術

最早在RNA-RNA大規模檢測上的應用，實現了一對多的相互作用的檢測，也能提供具體的相互作用位點信息。

圖2. 高通量靶標檢測方法

        第三類方法是2016年幾個小組分別建立的在全轉錄組水平測定RNA-RNA相互作用的方法（如圖3），包括PARIS【11】、SPLSH【12】、LIGR-seq【13】和MARIO【14】。前三個技術引入了AMT小分子及衍生物交聯相互作用的RNA，然後富集這些雙鏈RNA用於測序；MARIO則檢測所有蛋白介導的RNA相互作用。這些技術建立了不同物種、多個細胞系中的RNA-RNA相互作用圖譜，使得RNA-RNA相互作用網絡的建立和分析成為可能。

圖3. 全轉錄組水平檢測RNA-RNA相互作用的方法

        隨後，我們按照不同類型的RNA分子，歸納並討論了不同研究中涉及到的RNA-RNA相互作用。比如，miRNA-mRNA的相互作用是最早實現的大規模分析，主要運用了CLASH技術，揭示了其互補種子區域存在的大量非完美配對；snoRNA可以修飾不同類型的RNA，且其相互作用可以是多位點的。最近的幾個技術也都新鑑定出了一些snoRNA參與的相互作用；lncRNA能夠與其他RNA相互作用，並招募蛋白，從而調節靶標的表達水平。這些相互作用可以形成一個大的網絡。類似於蛋白質-蛋白質相互作用（PPI）網絡，RNA-RNA相互作用網絡，遵循無尺度的特性，存在少數的RNA分子具有很多的靶標，這些熱點（hub）分子對於網絡的調控至關重要【15】。網絡的聚類分析也表明具有相似功能的RNA傾向於相互作用，在不同的生理條件下也呈現出動態變化。

        文章最後，我們討論了RNA-RNA相互作用研究中存在的一些挑戰，主要包括：

1）當前的技術檢測到的RNA-RNA相互作用是不飽和的。這個主要受限於實驗中交聯和連接步驟的效率及測序深度；

2）RNA-RNA相互作用的動態變化。在不同的細胞系、不同的發育時期，RNA相互作用圖譜會發生變化，這種變化的意義有待驗證和闡明；

3）計算方法的局限性。不同的研究使用的鑑定RNA-RNA相互作用的算法、條件不同，缺乏統一的框架；

4）難以區分非特異性（非功能性）的相互作用。對於鑑定的RNA-RNA相互作用，雖然可以用分子生物學的方法證實其真實存在，但是其對下遊生物學事件的影響難以挖掘，需要更多的假設和功能性驗證實驗。

        綜上所述，雖然RNA-RNA相互作用研究中存在的一些挑戰，但基於已有技術，全轉錄組範圍內的RNA-RNA相互作用圖譜得以建立，加深了對於RNA功能模式的理解。作為一種轉錄後調控的機制，RNA-RNA相互作用和其他的影響因素（比如RNA二級結構、RNA修飾、RBP結合等）之間的關係，需要更加系統性的分析和挖掘。

Reference

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作者簡介

張強峰，清華大學生命科學學院，教授。

龔警，清華大學生命科學學院，在讀博士