ARN vòng

Hình 1: ARN vòng và chức năng "thấm" của nó.

ARN vòng là một loại ARN mà chuỗi pôlyribônuclêôtit của nó tạo thành một vòng hoá trị, nghĩa là các đầu 3 'và 5' của nó kết nối với nhau tạo thành đường cong kín (hình 1). Khái niệm này dịch từ thuật ngữ tiếng Anh: Circular RNA, kí hiệu (viết tắt) là circRNA.

Đặc điểm

• ARN vòng không có cấu trúc tuyến tính (Sinh học phổ thông gọi là cấu trúc "mạch thẳng") mà lại có cấu trúc vòng, không có đầu 3 'và đầu 5'.
• ARN vòng ngắn hơn mARN tuyến tính "sinh" ra nó, nghĩa là nó thường chỉ khoảng 1000 ribônuclêôtit (1Kb).
• ARN vòng có khả năng chống thoái hóa và bị phân giải do tác động của ribônuclêaza, nên ổn định hơn hầu hết các ARN tuyến tính.

Lược sử phát hiện

Hình 2: mARN sơ khai cần qua quá trình chế biến, trong đó các intron bị xử lí loại bỏ, rồi cácêxon nối nhau, sau đó thêm đuôi pôlyA vào đầu 3 '.

• Các dấu hiệu đầu tiên về sự tồn tại của circRNA (ARN vòng) được phát hiện khi phân tích gen DCC của người. Gen DCC mã hóa một prôtêin gọi là thụ thể netrin-1 liên quan đến sự phát triển của hệ thần kinh. Qua một thí nghiệm nhằm xác định kết nối exon bằng cách khuếch đại và giải trình tự RT-PCR (Nigro và cộng sự, 1991), vì gen DCC hồi đó được giả định là có liên quan đến bệnh Alzheimer. Sau đó, một loại circRNA khác phát sinh từ gen Sry của chuột được trong tinh hoàn của chuột trưởng thành được tìm thấy: phiên bản của Sry lại có dạng tròn 1,23 kb (Capel và cộng sự, 1993). Tuy nhiên chưa có các nghiên cứu sâu rộng hơn, nên các nhà nghiên cứu hàng đầu trong Sinh học phân tử chưa thật rõ về cấu trúc, phát sinh và ý nghĩa chức năng của dạng đồng phân (isoform) rất lạ này.
• Liên tiếp trong những năm sau, những khám phá ngày càng nhiều dẫn đến kết luận là thật sự tồn tại loại ARN đồng phân "bất thường" này. Đến năm 2012, một kết quả nghiên đột biến đã xảy ra trong nỗ lực tìm kiếm rối loạn di truyền trong ung thư. Các nhà nghiên cứu đã ngẫu nhiên phát hiện các circRNA trong những mẫu RNA-seq bạch cầu cấp tính ở trẻ em, cũng như một số dòng tế bào ung thư và không ung thư ở não chuột (Salzman và cộng sự, 2012).

Hình thành ARN vòng

Hình 3: Sự tạo thành ARN vòng

• Các nhà khoa học phát hiện ra circRNA được hình thành trong quá trình chế biến mARN sơ khai (Pre-mRNA) thành mARN trưởng thành ở sinh vật nhân thực theo nhiều cách khác nhau. Trong quá trình chế biến này, mARN sơ khai vừa được phiên mã từ gen phân mảnh nên có cả intron (vùng không mã hóa) và exon (vùng mã hóa). Tuy các vùng intron rất cần cho bảo quản và lưu giữ mã di truyền trong cấu trúc của ADN cũng như nhiễm sắc thể, nhưng lại không có mã, nghĩa là không cần dịch thành prôtêin. Do đó, việc đọc và giải "bức thư di truyền" của bố mẹ gửi cho sẽ rất lâu và không cần thiết, nên tự nhiên đã sinh ra cơ chế xử lí này. Lúc chịu xử lí, mARN sơ khai cần phải cắt bỏ hết các intron (vùng không mã hóa), rồi các exon (vùng mã hóa) sẽ phải được nối với nhau để tạo thành một chuỗi mã liên tục. Sau đó được gắn thêm "chóp" GTP và "đuôi" pôlyA để bảo vệ rồi mới được xuất ra khỏi nhân (hình 2).
• Tuy nhiên, một số đoạn đã qua xử lí từ mARN sơ khai có thể kết nối với nhau (hình 1), trong đó một đoạn phía thượng nguồn (5') có thể ghép nối nối với đoạn phía hạ lưu (3'). Quá trình này ngược với chế biến bình thường, nên gọi là backsplicing (chế biến ngược).
• Trong quá trình chế biến ngược này, ARN vòng được tạo thành có thể bao gồm chỉ một hoặc nhiều exon, hoặc đôi khi có xen kẽ một vài intron trong chuỗi pôlyribônuclêôtit vòng được tạo thành (nét đường tối ở vòng 3 + 4 trong hình 3).

Chức năng

Khi mới được phát hiện, một số nhà khoa học cho rằng ARN vòng là do đột biến, nghĩa là thường liên quan đến rối loạn hay bệnh tật. Tuy nhiên các nghiên cứu sau này cho rằng ARN vòng có chức năng tự nhiên nhất định, mặc dù một số rối loạn hay bệnh tật có liên quan đến nó.

• Theo Hansen và cộng sự (2013) nó có hoạt động như một miếng xốp (sponge tức bọt biển) tí hon "thấm" các miRNA, chẳng hạn như mỗi circRNA đã gắn kết theo kiểu "thấm" này với 16 phân tử của miR-138.
• Hình 1 mô tả các AGO (một loại ARN siêu nhỏ) liên kết ở những vị trí xác định trên miếng "bọt bể" ARN vòng (sơ đồ A, bên trái); còn các RBP (viết tắt từ RNA-binding proteins, tức ARN liên kết prôtêin) gắn ở những vị trí xác định trên miếng "bọt bể" ARN vòng khác (sơ đồ B, bên phải). Do đó có thể gây ra cạnh tranh miRNA / RBP (mũi tên trong hình 1) từ mARN mục tiêu (Target mRNA) của nó, từ đó ảnh hưởng đến biểu hiện gen.
• Ngoài ra, qua sự tương tác với U1 snRNP, thì nhóm circRNA exon-intron (EIciRNAs) có thể tương tác với các phức hợp phiên mã ở các gen chủ để phát sinh phiên mã (Li và cộng sự, 2015).
• Một ARN vòng khác tên là ciRS-7 (hoặc CDR1as) phát sinh từ lô-cut gen Cdr1 antisense, cũng có thể hoạt động như một miếng bọt biển tí hon như vậy với miRNA (Hansen, 2013; Memczak, 2013). Năm 2015 có nhà khoa học đã phát hiện ciRS-7 này có khá nhiều ở não Thú kể cả người và được tạo ra trong quá trình phát triển thần kinh (Rybak-Wolf et al., 2015) và có hàng chục 70 vị trí liên kết với miRNA. Bởi thế, ARN vòng có thể đóng vai trò cần thiết trong sự phát triển của bộ não.
• Khi so sánh ARN vòng từ tinh hoàn chuột với ARN vòng từ tế bào người, đã thấy 69 ARN vòng tương tự nhau. Chẳng hạn, cả người và chuột đều có gen HIPK2 và HIPK3, từ đó tạo ra một lượng đáng kể ARN vòng từ một exon tương tự nhau. Điều này chứng tỏ ARN vòng được bảo tồn trong tiến hóa, mặc dù chức năng tiến hoác cụ thể của nhóm này chưa được xác định.