環(huán)形RNA是一類在真核細(xì)胞中廣泛存在的內(nèi)源性非編碼RNA分子，在生物體發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。之前研究已在不同物種中鑒定出數(shù)百萬個(gè)環(huán)形RNA分子，并產(chǎn)生了大量用于揭示生物體組織表達(dá)模式的環(huán)形RNA數(shù)據(jù)資源。然而，由于大多數(shù)環(huán)形RNA表達(dá)量較低，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄組測序方法無法表征單個(gè)細(xì)胞環(huán)形RNA表達(dá)譜系特征及異質(zhì)性。近年來，隨著單細(xì)胞全長轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的發(fā)展，已可對單個(gè)細(xì)胞中環(huán)形RNA進(jìn)行捕獲測定。盡管效率較低，仍可部分揭示單細(xì)胞分辨率下環(huán)形RNA的表達(dá)模式。因此，單細(xì)胞水平的環(huán)形RNA表達(dá)及功能研究已成為該領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題。
中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院研究員趙方慶團(tuán)隊(duì)致力于環(huán)形RNA方面的研究。6月10日，該團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》（Nature Communications）上，發(fā)表了題為Exploring the cellular landscape of circular RNAs using full-length single-cell RNA sequencing的研究論文。該研究基于海量單細(xì)胞全長轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞分辨率下環(huán)形RNA的高效識別及深度挖掘，基于大規(guī)模時(shí)空組學(xué)數(shù)據(jù)的整合分析，探索了環(huán)形RNA的細(xì)胞異質(zhì)性，揭示了環(huán)形RNA作為細(xì)胞類型標(biāo)志物的應(yīng)用潛力。該研究將目前環(huán)形RNA研究從傳統(tǒng)組織水平提升至單細(xì)胞水平，為探究不同細(xì)胞類型中環(huán)形RNA的生物學(xué)功能提供了重要的數(shù)據(jù)資源和分析技術(shù)。
科研人員收集整理了171個(gè)已發(fā)表的單細(xì)胞全長轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集（圖1），包含人和小鼠中58種組織和細(xì)胞類型，共計(jì)172,137個(gè)細(xì)胞。同時(shí)，研究建立了基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的環(huán)形RNA識別和整合分析方法，在人和小鼠中共識別出40,604和131,533個(gè)高度可靠的環(huán)形RNA分子?；谝陨蠑?shù)據(jù)所生成的單細(xì)胞環(huán)形RNA綜合表達(dá)圖譜，為環(huán)形RNA的研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持，并為揭示環(huán)形RNA在不同細(xì)胞類型及發(fā)育階段的動態(tài)變化提供了重要資源。
該研究深度剖析了單細(xì)胞數(shù)據(jù)中環(huán)形RNA的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)它們在不同細(xì)胞類型上具有高度特異性。研究對小鼠大腦不同細(xì)胞類型中環(huán)形RNA的表達(dá)的分析表明，抑制性和興奮性神經(jīng)元的差異性表達(dá)與RNA結(jié)合蛋白的表達(dá)具有高度相關(guān)性。此外，研究觀察到胚胎發(fā)育不同階段的特征性環(huán)形RNA，闡釋了環(huán)形RNA從母體來源至合子表達(dá)發(fā)生的動態(tài)轉(zhuǎn)變過程。
進(jìn)一步地，基于單細(xì)胞測序技術(shù)可有效的揭示腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移過程中細(xì)胞水平的異質(zhì)性，研究建立了20名乳腺癌患者的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集，分析發(fā)現(xiàn)環(huán)形RNA在正常和腫瘤細(xì)胞的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中的表達(dá)規(guī)律和潛在功能。研究篩選出人和小鼠中細(xì)胞類型特異性環(huán)形RNA，并驗(yàn)證了其可作為生物標(biāo)志物在解析腫瘤浸潤性免疫細(xì)胞中的適用性。最后，研究構(gòu)建了目前首個(gè)單細(xì)胞環(huán)形RNA數(shù)據(jù)分析和資源平臺——circSC（
http://circatlas.biols.ac.cn）（圖2），為環(huán)形RNA研究奠定了獨(dú)特而重要的數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。
研究工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金基金重點(diǎn)項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。趙方慶團(tuán)隊(duì)致力于建立高效的算法模型和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探索人體微生物與非編碼RNA的結(jié)構(gòu)組成與變化規(guī)律，解析它們與人類健康和疾病的關(guān)系。近年來，相關(guān)成果先后發(fā)表在Cell（2020）、Gut（2022/2020/2018）、Nature Biotechnology（2021）、Nature Computational Science（2022）、Nature Communications （
2022a/2022b/2021/2020/2017/2016）、Genome Biology（2021/2020/2016）、Molecular Biology and Evolution（2022）、ISME J（2019）等上，這些研究豐富了科學(xué)家對人體微生物與非編碼RNA多樣性、結(jié)構(gòu)組成與功能的認(rèn)識，并為相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘及功能機(jī)制研究提供了重要方法學(xué)工具。
圖1.基于單細(xì)胞全長轉(zhuǎn)錄組的環(huán)形RNA識別和整合分析
圖2.環(huán)形RNA單細(xì)胞表達(dá)圖譜及數(shù)據(jù)平臺——circSC
來源：中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院
