撰文 | 伊凱
高等真核生物中的許多蛋白質編碼基因都可以通過外顯子的反向剪接產生環狀RNA（circRNA）。circRNA的生成、結構和降解機制都不同於mRNA，因此circRNA具有獨特的細胞功能。就產生機制而言，circRNA是由pre-mRNA的反向剪接產生的，內含子下游5'剪接位點是以相反的順序與上游3'剪接位點連接，形成環狀RNA，並在反向剪接的外顯子之間形成3'，5'-磷酸二酯鍵。就功能而言，circRNA被發現可以作為miRNA和RNA結合蛋白（RBP）等的緩衝結合物從而參與基因表達調控、可以作為物理支架介導某些酶和底物之間的相互作用、甚至可以通過cap-independent translation製造多肽或蛋白產物。
不過，即使circRNA存在著獨特的產生機制、物理特性和多樣化的生物功能，也並不意味著這類RNA作為一個整體是具有廣泛、重要且有益的生物學地位的。針對這一問題，研究界存在著兩個截然不同的假說：一是所謂「適應性」假說，即認為circRNA普遍具有有益的生物體功能；二是「分子錯誤」假說，與前者相對，這一觀點認為circRNA絕大多數起源於剪接錯誤，因而是有害的或至少是無功能的。另外，考慮到circRNA研究的熱門程度，如僅2020年一年就有超過2900篇論文的標題或摘要中存在circRNA這一詞條，對上述問題的釐清就兼備著生物學理論的內在重要性和緊迫的學術研究現實意義。
近日，來自密西根大學的著名華人進化生物學家張建之教授和上海交通大學胥川副教授（2017-2020年在張建之教授實驗室接受博士後訓練）在Cell Reports上發表了題為Mammalian circular RNAs result largely from splicing errors的研究，報導了基於自然選擇理論推導和轉錄組測序數據分析的對於環狀RNA的生物來源、存在廣泛性、進化保守性及功能有益性的深入研究，用一系列證據支撐了circRNA的「分子錯誤」假說。
在生物學研究中，試圖對一整個分子類群做出「有用」、「無用」或「有害」、「有益」的「價值判斷」顯然是十分困難的，甚至可能落入「形而上」的陷阱。不過，就像著名遺傳生物學家杜布贊斯基所言，「如果不從進化的角度來看，生物學的一切都將變得無法理解」（nothing makes sense except in light of evolution），自然選擇的精美理論框架往往是評估某一生物特徵好壞優劣的一件利器。在該研究中，作者從circRNA「分子錯誤」的大前提出發，基於分子進化的普遍原則提出了一系列可基於轉錄組測序數據得到驗證的假說，它們包括：1）形成環狀RNA的反向剪接在總RNA剪接中應該占比極低；2）同一生物環境下（同一組織），總剪接水平越高的基因的反向剪接率就應該越低；3）同一個基因在總剪接程度高的組織中的反向剪接率應該更低；4）反向剪接的保守程度應該非常接近於由隨機概率所決定的水平；5）物種層面反向剪接總水平與其有效種群尺度呈反比；6）絕大多數反向剪接應該是受到淨化選擇（purifying selection）抑制的有害產物。
為了驗證上述假說，作者分析了來源於人類、恆河猴和小鼠的11個組織的RNA-seq數據，以其中分別映射至線性和反向剪接外顯子的序列數量作為正常剪接和產生circRNA的異常剪接的定量化指標。基於此，作者發現，1）反向剪接率在上述三類哺乳動物的組織中的中位數分別低至0.2%、0.16%、0.04%；2）反向剪接率與總剪接程度在各物種組織中均呈強負相關；3）同一物種內大多數基因的反向剪接率與總剪接程度呈跨組織負相關關係；4）人或恆河猴與小鼠之間的反向剪接位點保守性僅比隨機概率所對應的數值高出不超過5%；5）人的總反向剪接率大於恆河猴大於小鼠，符合三者的有效種群大小關係；6）超過95%的反向剪接是受到淨化選擇抑制的有害產物。
總之，該項研究利用分子進化理論有力地支持了關於circRNA生物學功能的「分子錯誤」假說，即絕大多數circRNA是來自於剪接錯誤的無功能或有害產物。當然，這一論斷並不直接否定過去的circRNA被證明具有明確生物學功能的案例，而是從系統層面釐清了circRNA的生物學地位，啟示了研究界對於circRNA作為一種潛在重要的生物學功能介質或疾病治療靶點的重視是值得重新考慮的。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109439
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