Halkasal RNA'lar


Cem Hazır - Mezun, Yüksek Lisans

Ökaryotik genlerin birçoğunun proteine çevrilmeyen intronik bölgeler içermesi, yeni oluşturulan mRNA öncülerinin -i̇ntronları uzaklaştırmak için- uç birleştirme (splicing) işlemini geçirmelerine neden olur. İntron uzaklaştırma işleminin ardından ekzonlar olgun lineer mRNA transkriptlerini oluşturabilmek için doğrusal bir şekilde birleştirilir. Uçbirleştirme mekanizması, farklı mRNA izoformları üretebilen ve ileri seviyede düzenlenen bir süreçtir. İzoformlar, hücre içerisinde farklı görevlere ve farklı konumlara sahip olabilmektedir. İnsan genlerinin %95'inden fazlası alternatif uçbirleştirme mekanizması (alternative splicing) ile oluşturulan farklı izoformlara sahiptir [1,2].


Halkasal RNA'lar, hücre içerisinde geri uçbirleştirme mekanizmasıyla (back splicing) oluşturulan ve uçlara sahip olmayan dairesel moleküllerdir [3,4]. Bazı halkasal RNA'lar ekzon-intron karşımından oluşurken, bazılarının yapısında yalnızca intronlar bulunur. Olgun circRNA'ların çoğu yalnızca ekzonlardan oluşmaktadır [4,5]. Başlangıçta anormal uç birleştirme mekanizması sonucunda ortaya çıktığı düşünülen bu moleküllerin, yapılan çalışmalar sonucunda önemli biyolojik rolleri olabileceği kabul edilmiştir [6,7]. circRNA'lar çoğunlukla sitoplazmada bulunur ve halkasal yapılarından dolayı diğer RNA moleküllerine kıyasla yıkılmaya karşı daha dirençlidir [4]. Mikro-RNA aracılı gen ifadesi düzenlenmesi ve protein aktivite inhibisyonunda görev almalarının yanı sıra, circRNA'ların protein kodladıkları da keşfedilmiştir [4,8]. Gelişmiş hesaplama algoritmaları ile birleştirilmiş yeni nesil dizileme, birçok circRNA'nın çok sayıda bulunduğunu ve türler arası korunduğunu ortaya çıkarmıştır [9].


Doğada tanımlanmış olan ilk circRNA'lar viroidlerin (bitki patojenleri) ve hepatit delta virüsünün genomlarıdır [10,11]. Sonraki birkaç 10 yıl içerisinde bazı endojen circRNA grupları keşfedilebilmiş; CircSry ve circMbI fare testislerinde ve Drosophila melanogaster (meyve sineği) kafasında bol miktarda bulunan ilk circRNA'lar arasında gösterilmiştir [12,13]. Yeni nesil dizilemenin 21. yüzyıldaki yaygınlığı circRNA'ların varlığını hemen ortaya çıkaramamıştır. Yeni nesil dizileme yaklaşımlarıyla yeni birçok tür RNA tanımlanırken, circRNA'lar RNA dünyasının "karanlık maddesi" olarak kalmayı sürdürmüştür. Yeni nesil dizileme için gerekli birçok RNA izolasyon protokolünün poliA kuyruklarının zenginleştirilmesi ile başlamaktadır. Bu adım mRNA'ları ve uzun kodlanmayan RNA'ların kolayca yakalanmasına imkan tanır ancak circRNA'lar da dahil olmak üzere poliA kuyruğu bulunmayan RNA gruplarının atlanmasına neden olur. Ayrıca, circRNA'ların düşük seviyedeki ifadeleri yakalanarak tanımlanmalarını zorlaştıran nedenlerden bir diğeridir [14].


Şekil 1: A) pre-mRNA'nın geri uç birleştirilmesi mekanizmasıyla circRNA oluşturması.

B) pre-mRNA'nın kanonikal uç birleştirme mekanizmasıyla mRNA ya da lncRNA oluşturması [3].


Çoğu circRNA uçbirleştime mekanizmasının disregülasyonu ile meydana gelebilir ve/veya transkripsiyonel gürültüdür. Fakat yapılan araştırmalar hücrelerin circRNA'ların oluşumunu aktif bir şekilde kontrol ettiği ve fizyolojik fonksiyonlara sahip olduğunu göstermektedir [4]. circRNA'lar hücre spesifik olarak ifade edilmektedir; merkezi sinir sisteminde yüksek seviyede ifade edilirken, karaciğer ve kas dokularında minimal seviyede ifade edilirler [4,15]. Birçok circRNA ökaryot canlılarda evrimsel olarak korunurken bazıları yalnızca metazoanlara ve insanlara özgüdür [9]. Çalışmalar ayrıca circRNA ifadesinin lineer RNA ifadesine göre daha farklı şekilde düzenlendiğini göstermiştir; bu durum, circRNA'ların lineer RNA'lardan bağımsız bir düzenleme ve fonksiyona sahip olduklarını göstermektedir [16,17].

circRNA'ların gösterilen ilk rollerinden biri mikro-RNA süngeri olarak görev yapmalarıdır [18]. circRNA'ların diğer nükleik asitlerle baz çifti oluşturabilmesi, circRNA'ların mikro-RNA'lara bağlanmasını ve mikro-RNA aktivitelerinin engellenmesi veya artmasına neden olabilir [16,19]. circRNA'lar aynı zamanda lineer olan RNA molekülerinin de ifadelerini düzenleyebilir. MBL, kanonik pre-mRNA'nın uç birleştirme mekanizmasıyla rekabet ederek mRNA'nın 2. ekzon bölgesine bağlanır ve circMbl oluşumunu indükler [20]. circMbl ve olgun mRNA seviyesi negatif yönde ilişkilidir. Fazla protein olduğu durumda, MBL, circMbl biyosentezini artırmak için harekete geçer. Protein seviyesi azaldıkça, MBL kanonik pre-mRNA'nın ifade edilerek proteine çevirilmesi için rekabete girmez ve protein sentezinin gerçekleşmesine izin verir [4]. İnsan translatomunda yapılan bir araştırma, circRNA'ların insan kalbindeki 100 aminoasitten daha küçük proteinler (mikroprotein) kodladığını göstermiştir [21]. mRNA’lar, rRNA'lar ve tRNA'lar işlevlerine göre sınıflandırılırken, circRNA'lar topolojilerine (5' ve 3' uçlarının olmaması) göre sınıflandırılırlar [4].


circRNA'lar değişen ifade seviyesine ve biyolojik fonksiyonlara sahip olan çeşitli bir RNA sınıfıdır. Yapılan araştırmalar yapılarını, mekanizmalarını ve hücresel rollerini ortaya çıkarmaya devam ederken, asıl görevlerinin tam olarak ne olduğu açıklığa kavuşturulmayı beklemektedir.



Referanslar

  1. Braunschweig, U., Gueroussov, S., Plocik, A. M., Graveley, B. R., & Blencowe, B. J. (2013). Dynamic integration of splicing within gene regulatory pathways. Cell, 152(6), 1252–1269.

  2. Wang, E. T., Sandberg, R., Luo, S., Khrebtukova, I., Zhang, L., Mayr, C., Kingsmore, S. F., Schroth, G. P., & Burge, C. B. (2008). Alternative isoform regulation in human tissue transcriptomes. Nature, 456(7221), 470–476.

  3. Yu CY, Kuo HC. The emerging roles and functions of circular RNAs and their generation. J Biomed Sci. 2019 Apr 25;26(1):29.

  4. Yan, L., & Chen, Y. G. (2020). Circular RNAs in Immune Response and Viral Infection. Trends in biochemical sciences, 45(12), 1022–1034.

  5. Chen, L. L., & Yang, L. (2015). Regulation of circRNA biogenesis. RNA biology, 12(4), 381–388.

  6. Zang, J., Lu, D., & Xu, A. (2020). The interaction of circRNAs and RNA binding proteins: An important part of circRNA maintenance and function. Journal of neuroscience research, 98(1), 87–97.

  7. Li, X., Yang, L., & Chen, L. L. (2018). The Biogenesis, Functions, and Challenges of Circular RNAs. Molecular cell, 71(3), 428–442.

  8. Pamudurti, N. R., Bartok, O., Jens, M., Ashwal-Fluss, R., Stottmeister, C., Ruhe, L., ..., Kadener, S. (2017). Translation of CircRNAs. Molecular cell, 66(1), 9–21.e7.

  9. Jeck, W. R., Sorrentino, J. A., Wang, K., Slevin, M. K., Burd, C. E., Liu, J., ..., Sharpless, N. E. (2013). Circular RNAs are abundant, conserved, and associated with ALU repeats. RNA (New York, N.Y.), 19(2), 141–157.

  10. Sanger, H. L., Klotz, G., Riesner, D., Gross, H. J., Kleinschmidt, A. K. (1976). Viroids are single-stranded covalently closed circular RNA molecules existing as highly base-paired rod-like structures. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 73(11), 3852–3856

  11. Kos, A., Dijkema, R., Arnberg, A. C., van der Meide, P. H., & Schellekens, H. (1986). The hepatitis delta (delta) virus possesses a circular RNA. Nature, 323(6088), 558–560.

  12. Capel, B., Swain, A., Nicolis, S., Hacker, A., Walter, M., Koopman, P., ..., Lovell-Badge, R. (1993). Circular transcripts of the testis-determining gene Sry in adult mouse testis. Cell, 73(5), 1019–1030.

  13. Houseley, J. M., Garcia-Casado, Z., Pascual, M., Paricio, N., O'Dell, K. M., Monckton, D. G., Artero, R. D. (2006). Noncanonical RNAs from transcripts of the Drosophila muscleblind gene. The Journal of heredity, 97(3), 253–260.

  14. Chen, L., Wang, C., Sun, H., Wang, J., Liang, Y., Wang, Y., & Wong, G. (2021). The bioinformatics toolbox for circRNA discovery and analysis. Briefings in bioinformatics, 22(2), 1706–1728.

  15. Rybak-Wolf A, Stottmeister C, Glažar P, Jens M, Pino N, Giusti S, ..., Rajewsky N. Circular RNAs in the Mammalian Brain Are Highly Abundant, Conserved, and Dynamically Expressed. Mol Cell. 2015 Jun 4;58(5):870-85.

  16. Memczak, S., Jens, M., Elefsinioti, A., Torti, F., Krueger, J., Rybak, A., ..., Rajewsky, N. (2013). Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency. Nature, 495(7441), 333–338.

  17. Liu, C. X., Li, X., Nan, F., Jiang, S., Gao, X., Guo, S. K., ..., Chen, L. L. (2019). Structure and Degradation of Circular RNAs Regulate PKR Activation in Innate Immunity. Cell, 177(4), 865–880.e21.

  18. Hansen, T. B., Jensen, T. I., Clausen, B. H., Bramsen, J. B., Finsen, B., Damgaard, C. K., Kjems, J. (2013). Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges. Nature, 495(7441), 384–388.

  19. Zhang, J., Liu, Y., & Shi, G. (2021). The circRNA-miRNA-mRNA regulatory network in systemic lupus erythematosus. Clinical rheumatology, 40(1), 331–339.

  20. Ashwal-Fluss, R., Meyer, M., Pamudurti, N. R., Ivanov, A., Bartok, O., Hanan, M., ..., Kadener, S. (2014). circRNA biogenesis competes with pre-mRNA splicing. Molecular cell, 56(1), 55–66.

  21. van Heesch, S., Witte, F., Schneider-Lunitz, V., Schulz, J. F., Adami, E., Faber, A. B., …, Hubner, N. (2019). The Translational Landscape of the Human Heart. Cell, 178(1), 242–260.e29.