环状RNA玩转“circRNA抑制”

艾博思带你玩转circRNA抑制

导语

circRNA作为一类非编码RNA，具有结构稳定性和组织特异性表达的特征。circRNA抑制是研究circRNA常规手段，本文带你玩转circRNA抑制的方法和注意要点。

1.circRNA siRNA

图1:外显子环化位点siRNA设计

图片引自：Li Z, Huang C, Bao C, et al. Exon-intron circular RNAs regulate transcription in the nucleus[J]. Nature structural & molecular biology, 2015, 22(3): 256.

1. 外显子环化circRNA，针对反向剪接位点（backsplice junction）序列设计siRNA；

2. 内含子环化circRNA，可针对反向剪接位点（backsplice junction）序列设计siRNA序列以外，也可针对内含子区域序列设计siRNA；

3. 对于初筛来说，可以选择通用型的对照；如果确定了有效序列，可以针对每个siRNA设计对应特异型的对照，例如反向剪接位点（backsplice junction）位点的一端形成互补配对，而另一端可以放置相应的错配碱基。

小 贴 士

A.环状RNA的siRNA与普通基因的siRNA设计相比，同样遵循siRNA的设计原则和设计规范，同样需要避免脱靶效应，并进行小范围的siRNA靶点筛选。

B.环状RNA的siRNA设计的要点：由于环状RNA来自线性的mRNA或者lncRNA，所以siRNA的7mer种子区（seed region）不要出现在线性宿主基因中。设计之前要看看siRNA位点是否会与其他的mRNA发生100%靶点匹配，100%匹配无法保证特异性，这种circRNA不适合siRNA抑制，有部分同源的也需要尽量避免脱靶到其他基因。为了防止脱靶效应可以在种子区选择一定化学修饰，例如2‘-OMe甲氧修饰，2’-F氟代修饰等等，降低脱靶效应。

C.在使用qRT-PCR或者功能研究验证circRNA时候，线性的宿主基因需要检测一下，并且观察在基因表达水平以及功能水平上，到底是宿主基因还是真正的circRNA在起决定性的作用。

2. 反义核酸

图2:内含子位点ASO设计

图3:反向剪接位点ASO设计

图片引自：Li Z, Huang C, Bao C, et al. Exon-intron circular RNAs regulate transcription in the nucleus[J]. Nature structural & molecular biology, 2015, 22(3): 256.

反义RNA(antisense RNA,ASO)是指与靶RNA具有互补序列的RNA分子，通过与靶RNA进行碱基配对结合的方式,通过特异阻断翻译或者降解目的RNA方式参与基因的表达调控,。利用ASO特异地封闭某些基因表达，使之低表达或不表达。对于内含子环化circRNA和外显子环化的circRNA同样也可针对内含子区域或者反向剪接位点（backsplice junction）设计相应ASO。至于siRNA和ASO不同之处请点击《聊聊LncRNA研究的技术细节》的解答。

3. Gapmer为ASO的升级版

图4:Gapmer反义抑制等位基因

图片引自：Marrosu E, Ala P, Muntoni F, et al. Gapmer antisense oligonucleotides suppress the mutant allele of COL6A3 and restore functional protein in Ullrich muscular dystrophy[J]. Molecular Therapy-Nucleic Acids, 2017, 8: 416-427

Gapmer是一种反义RNA分子，这种RNA分子的末端修饰了化学修饰物，所以更加稳定。Gapmer含有一段中心序列（central sequence），当反义RNA分子与突变的靶序列RNA分子结合之后，这段中心序列就可以借助RNase H的酶活性将突变靶序列降解掉。至于LNA Gapmer见《靶向LncRNA利器：Antisense LNA™ GapmeRs》的解答。

图5:Gapmer抑制环状RNA设计

图片引自：Ottesen E W, Luo D, Seo J, et al. Human Survival Motor Neuron genes generate a vast repertoire of circular RNAs[J]. Nucleic acids research, 2019

针对环状RNA连接位点设计Gapmer，设计方案如下：

对照序列：CNTRL-9GAP18

5-mG∗mU∗mC∗mU∗mA∗dT∗dG∗dT∗dC∗dT∗dA∗dT∗dG∗dT∗mC∗mU∗mA∗mU-3;

靶标序列1：Jn4-2B-9GAP18,

5-mU∗mA∗mG∗mA∗mG∗dC∗dA∗dT∗dG∗dC∗dT∗dT∗dT∗dC∗mC∗mU∗mG∗mG-3;

靶标序列2：Jn4-2A-9GAP18,

5-mA∗mU∗mC∗mA∗mU∗dC∗dG∗dC∗dT∗dC∗dT∗dT∗dT∗dC∗mC∗mU∗mG∗mG-3;

靶标序列3：Jn4-3-12GAP23,

5-mC∗mC∗mC∗mA∗mA∗mC∗dT∗dT∗dT∗dC∗dC∗dA∗dC∗dT∗dT∗dT∗dC∗dC∗mU∗mG∗mG∗mU∗mC-3

两端分别为4,5,6个甲氧基修饰的RNA碱基，中间9个或者12个DNA碱基。

4. CRISPR/Cas9基因敲除circRNA

图6：哺乳动物环状RNA（Cdr1as/ciR-7）基因座的缺失导致miRNA失调并影响脑功能

图片引自：Piwecka M, Glažar P, Hernandez-Miranda L R, et al. Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function[J]. Science, 2017, 357(6357): eaam8526.

我们可以利用基因组编辑技术CRISPR/Cas9，通过双sgRNA设计选择性删除了小鼠中的Cdr1as基因。既然是CRIPSR/Cas9技术，必须遵循sgRNA设计原则并克服其技术优缺点。虽然是CRISPCR/Cas9同样无法避免脱靶（off-target）效应。同样需要考虑宿主基因的缺失对功能的影响。技术细节可以参考《lncRNA CRISPR文库筛选技术》 。

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