撰文 | 伊凯
高等真核生物中的许多蛋白质编码基因都可以通过外显子的反向剪接产生环状RNA（circRNA）。circRNA的生成、结构和降解机制都不同于mRNA，因此circRNA具有独特的细胞功能。就产生机制而言，circRNA是由pre-mRNA的反向剪接产生的，内含子下游5'剪接位点是以相反的顺序与上游3'剪接位点连接，形成环状RNA，并在反向剪接的外显子之间形成3'，5'-磷酸二酯键。就功能而言，circRNA被发现可以作为miRNA和RNA结合蛋白（RBP）等的缓冲结合物从而参与基因表达调控、可以作为物理支架介导某些酶和底物之间的相互作用、甚至可以通过cap-independent translation制造多肽或蛋白产物。
不过，即使circRNA存在着独特的产生机制、物理特性和多样化的生物功能，也并不意味着这类RNA作为一个整体是具有广泛、重要且有益的生物学地位的。针对这一问题，研究界存在着两个截然不同的假说：一是所谓“适应性”假说，即认为circRNA普遍具有有益的生物体功能；二是“分子错误”假说，与前者相对，这一观点认为circRNA绝大多数起源于剪接错误，因而是有害的或至少是无功能的。另外，考虑到circRNA研究的热门程度，如仅2020年一年就有超过2900篇论文的标题或摘要中存在circRNA这一词条，对上述问题的厘清就兼备着生物学理论的内在重要性和紧迫的学术研究现实意义。
近日，来自密歇根大学的著名华人进化生物学家张建之教授和上海交通大学胥川副教授（2017-2020年在张建之教授实验室接受博士后训练）在Cell Reports上发表了题为Mammalian circular RNAs result largely from splicing errors的研究，报道了基于自然选择理论推导和转录组测序数据分析的对于环状RNA的生物来源、存在广泛性、进化保守性及功能有益性的深入研究，用一系列证据支撑了circRNA的“分子错误”假说。
在生物学研究中，试图对一整个分子类群做出“有用”、“无用”或“有害”、“有益”的“价值判断”显然是十分困难的，甚至可能落入“形而上”的陷阱。不过，就像著名遗传生物学家杜布赞斯基所言，“如果不从进化的角度来看，生物学的一切都将变得无法理解”（nothing makes sense except in light of evolution），自然选择的精美理论框架往往是评估某一生物特征好坏优劣的一件利器。在该研究中，作者从circRNA“分子错误”的大前提出发，基于分子进化的普遍原则提出了一系列可基于转录组测序数据得到验证的假说，它们包括：1）形成环状RNA的反向剪接在总RNA剪接中应该占比极低；2）同一生物环境下（同一组织），总剪接水平越高的基因的反向剪接率就应该越低；3）同一个基因在总剪接程度高的组织中的反向剪接率应该更低；4）反向剪接的保守程度应该非常接近于由随机概率所决定的水平；5）物种层面反向剪接总水平与其有效种群尺度呈反比；6）绝大多数反向剪接应该是受到净化选择（purifying selection）抑制的有害产物。
为了验证上述假说，作者分析了来源于人类、恒河猴和小鼠的11个组织的RNA-seq数据，以其中分别映射至线性和反向剪接外显子的序列数量作为正常剪接和产生circRNA的异常剪接的定量化指标。基于此，作者发现，1）反向剪接率在上述三类哺乳动物的组织中的中位数分别低至0.2%、0.16%、0.04%；2）反向剪接率与总剪接程度在各物种组织中均呈强负相关；3）同一物种内大多数基因的反向剪接率与总剪接程度呈跨组织负相关关系；4）人或恒河猴与小鼠之间的反向剪接位点保守性仅比随机概率所对应的数值高出不超过5%；5）人的总反向剪接率大于恒河猴大于小鼠，符合三者的有效种群大小关系；6）超过95%的反向剪接是受到净化选择抑制的有害产物。
总之，该项研究利用分子进化理论有力地支持了关于circRNA生物学功能的“分子错误”假说，即绝大多数circRNA是来自于剪接错误的无功能或有害产物。当然，这一论断并不直接否定过去的circRNA被证明具有明确生物学功能的案例，而是从系统层面厘清了circRNA的生物学地位，启示了研究界对于circRNA作为一种潜在重要的生物学功能介质或疾病治疗靶点的重视是值得重新考虑的。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109439
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