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  • 發布時間:2023-04-25 10:29 原文鏈接: 科研家提出環形RNA全長轉錄本解析技術

    近日,中國科學院北京生命科學研究院趙方慶團隊在《自然-實驗手冊》(Nature Protocols)上,發表了題為Full-length circular RNA profiling by nanopore sequencing with CIRI-long的研究論文,建立了環形RNA全長轉錄本解析和高效挖掘的技術體系。


    近年的研究表明,環形RNA在真核生物體內具有廣泛的生物學功能。環形RNA序列與線性RNA相似度高,因此如何高效鑒定環形RNA特有的外顯子結構,是環形RNA研究中的重要問題。針對這一問題,趙方慶團隊前期提出了CIRI-AS算法(基于BSJ讀段對比結果對環形RNA內部可變剪接結構進行識別)。后續研究開發了CIRI-full算法(通過識別雙端250bp測序數據中反向重疊區特征,對500bp以內的環形RNA進行全長重構)。由于上述方法主要基于短讀長測序技術,難以對長度500bp以上的環形RNA的全長序列進行有效識別。在此基礎上,研究組開發了基于納米孔測序的環形RNA全長測定方法CIRI-long,實現了對不同長度環形RNA全長結構的高效鑒定。


    該研究利用小鼠腦組織及人HeLa細胞系樣本作為示例,闡釋了環形RNA高效富集與全長測定方法:利用核糖體RNA去除試劑盒與改進的RNase R處理流程,消化RNA樣本中的核糖體RNA與其余線性RNA分子,對環形RNA進行初步富集;利用隨機引物逆轉錄與PCR擴增,構建cDNA文庫。在該過程中,環形RNA模板可以發生滾環逆轉錄,產生含有多個環形RNA全長序列的嵌合體cDNA,而來自線性RNA的cDNA產物長度較短。因此,后續流程中使用了片段篩選策略,對環形RNA來源的cDNA片段進行了進一步富集,從而有效提升了文庫中環形RNA來源片段所占比例。該工作利用長讀長納米孔測序技術進行cDNA分子的全長測定,并使用該團隊開發的CIRI-long算法對測序數據中的環形RNA序列進行識別與錯誤校正,從而獲得高置信度的環形RNA全長結構。


    前期研究觀察到使用具有模板切換活性的逆轉錄酶,可以在滾環逆轉錄產生的cDNA末端直接引入PCR引物序列,從而實現對低起始量環形RNA的高效捕獲(圖1)。然而,該活性依賴5’ RNA線性末端參與,因此不含5’與3’線性末端的環形RNA如何發生模板切換的原理尚未明確。該工作進一步利用體外轉錄構建的模式環形RNA探究滾環逆轉錄過程發現,經過逆轉錄后,大部分環形RNA模板發生了水解,從而提供了模板切換所需的線性5’末端。同時,在不加入逆轉錄酶的對照組中,環形RNA均保持了完整的環狀結構。這提示環形RNA滾環反轉錄中的模板切換主要依賴RNA模板的線性化水解,為CIRI-long流程提供了重要的理論支持。


    同時,該研究總結了CIRI-long方法的應用,提出了CIRI-long方法可為新型環形RNA如線粒體來源環形RNA或內含子自連型環形RNA的存在提供有力的支持證據。同時,重構獲得的環形RNA全長序列可用于后續環形RNA的功能預測(如miRNA或RBP結合位點分析)。此外,利用長讀長測序方法構建出的環形RNA序列,可作為評估基于傳統二代測序技術的環形RNA拼接算法的標準數據集,為現有算法的改進提供指導方向。與近年開發的多個長讀長環形RNA測序技術相比,CIRI-long方法實驗步驟更為便捷,同時可實現對不同長度環形RNA全長結構的直接測定,可應用于多種組織與細胞樣本,頗具應用前景。


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