腸道是食物消化和吸收的主要場所，由單層上皮細胞形成腸上皮屏障。除了上皮細胞，腸道中還有大量的免疫細胞。即使在成體穩態（homeostasis）條件下，腸上皮仍經歷著快速的自我更新，在小鼠中大約5天可以更新一次【1】。定位于腸道隱窩中的干細胞可以分化為腸道中所有的上皮細胞類型【2】。腸干細胞的自我更新和分化是腸道持續更新和損傷修復的基礎。腸道干細胞處于微環境中，受不同微環境因子的精細調控。但是，免疫細胞作為腸道中數目眾多且作用關鍵的細胞類群，在腸道干細胞自我更新中的作用尚不清楚。
環狀RNA（cicrRNA）由RNA的5‘和3‘末端通過共價連接形成【3】。盡管曾被認為只是RNA剪切的副產物，但越來越多的研究表明cicrRNA具有重要的功能。cicrRNA與其他長鏈非編碼RNA類似，可以作為miRNA sponge，也可以通過結合啟動子區域，結合mRNA調控元件或隔離RNA結合蛋白來起作用【4】。同時，一些cicrRNA還可以翻譯出蛋白。這些機制都極大豐富了cicrRNA可能的作用。因此，cicrRNA在一些生理或病理條件下的功能成了研究熱點之一。
北京時間1月15日凌晨，中科院生物物理所范祖森課題組和田勇課題組合作在Nature Immunology雜志上發表了題為IL-13 secreted by ILC2s promotes the self-renewal of intestinal stem cells through circular RNA circPan3的論文。該研究揭示了免疫系統在腸道干細胞自我更新中的重要作用，并發現了circPan3在IL-13/IL-13Rα1通路及下游Wnt/b-catenin通路活化中的關鍵作用。同時，當期雜志配有題為CIRCling the wagons to protect intestinal stem cells的新聞和觀點文章對該項研究進行介紹和評論。
在這項研究中，研究人員首先探討了circRNA是否可以調控腸道干細胞功能的問題。對circRNA進行測序，作者篩選出特異表達在腸道干細胞中的表達量較高的circRNA。利用shRNA分別敲減單條circRNA，發現這些circRNA對腸道干細胞體外類器官培養沒有影響。而在腸道干細胞與CD45+免疫細胞共培養的類器官形成實驗中，敲減circPan3顯著降低了類器官形成。這提示circPan3可能通過免疫細胞來促進腸道干細胞的自我更新。circPan3體內表達定位于小腸和大腸的干細胞位置，并且分離的circPan3+細胞具有形成完全分化的類器官的能力。
為了進一步研究circPan3的體內功能，作者制作了circPan3缺失小鼠。circPan3的缺失降低了腸干細胞自我更新能力，導致干細胞數目變少，腸絨毛和隱窩變短。此外，circPan3的缺失也降低了小鼠腸損傷修復能力。盡管circPan3可以翻譯出肽段，但作者發現缺失circPan3引起的表型并不依賴于circPan3相關的肽段和Pan3蛋白。
為了研究circPan3的作用機制，作者分析了circPan3缺失的腸干細胞轉錄組。circPan3的缺失導致了一系列基因表達下調。作者選取了變化顯著的10個基因來做功能分析。在腸干細胞中利用shRNA分別敲減單個基因，發現敲減IL13ra1降低了類器官形成能力。IL13ra1負責編碼細胞因子IL-13受體中的一個亞基，在腸干細胞中高表達。因此，IL13ra1可以來解釋circPan3的功能。在腸干細胞中，cicrPan3可以與IL13ra1 mRNA結合并增加IL13ra1 mRNA的穩定性。RNA結合蛋白KSRP可以結合IL13ra1 mRNA并促進其降解。cicrPan3與KSRP競爭性結合IL13ra1 mRNA，當cicrPan3升高時，KSRP對mRNA結合降低，mRNA從而得以穩定。
IL-13在體內有包括免疫細胞等多種來源，Ⅱ型輔助T淋巴細胞(TH2)和Ⅱ型固有淋巴細胞（ILC2s）均可以產生IL-13。免疫缺陷小鼠中腸干細胞數目減少，移植ILC2s和ILC3s可以增加免疫缺陷小鼠中腸干細胞數目，而ILC2s可以定位到腸干細胞所在位置。因此，ILC2s產生的IL-13在維持腸干細胞自我更新中起到重要作用。機制上來說，IL-13與受體結合后，激活下游信號STAT6，并隨后通過轉錄因子FoxP1穩定了腸干細胞中β-catenin的水平（下圖）。
circPan3在調控腸干細胞自我更新中的作用。圖片來自Nat Immunol，2019
在Lgr5+腸道干細胞中，circPan3能夠結合Il13ra1 mRNA，并促進Il13ra1 mRNA的穩定性，最終導致IL-13Rα1在腸道干細胞中的高表達。微環境中的2型固有淋巴樣細胞（ILC2）分泌的IL-13能夠和腸道干細胞中的IL-13Rα1結合，促進IL-13/IL-13Rα1通路的活化，并通過Foxp1的表達和b-catenin的入核調控，促進了Wnt/b-catenin信號通路的活化
總之，這項研究突出強調了cicrRNA在調控干細胞和淋巴細胞相互作用中的關鍵作用。同期發表在Nat Immunol雜志上的評論文章稱，“該工作突顯了circRNA在調控腸上皮細胞和淋巴細胞之間的cross-talk中的重要作用”。
參考文獻
1. Barker, N. 2014. Adult intestinal stem cells: critical drivers of epithelial homeostasis and regeneration. Nature reviews. Molecular cell biology 15: 19-33.
2. Barker, N., J. H. van Es, J. Kuipers, P. Kujala, M. van den Born, M. Cozijnsen, et al. 2007. Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature 449: 1003-1007.
3. Salzman, J. 2016. Circular RNA Expression: Its Potential Regulation and Function. Trends in genetics : TIG 32: 309-316.
4. Memczak, S., M. Jens, A. Elefsinioti, F. Torti, J. Krueger, A. Rybak, et al. 2013. Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency. Nature 495: 333-338.
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