环形RNA计算系统生物学研究

By combining transcriptomic circular RNA enrichment, high-throughput deep-sequencing and specific computational approaches, a large number of structured circular RNAs have been recently identified in various cell lines/tissues and across different species. Among them, most are derived from back-spliced exons (circRNAs). So far, hundreds of thousands of circRNAs have been identified in many species, largely in human. We have developed and applied a series of effective and efficient computational pipelines for circRNA analysis, and have revealed the regulatory roles of cis-elements on circRNA biogenesis and their underlying mechanisms. These cutting-edge studies uncover the fundamental regulation of circRNA biogenesis for the first time. Here, we will further develop computational algorithms and pipelines to systematically quantitate expression of circRNAs from different samples. We plan to genome-wide discover trans-factors and their possible interactions with cis-elements on circRNA biogenesis together with their processing mechanisms. And importantly, we will inspect circRNA functions by extensively deciphering their covalently closed primary sequence features and unknown secondary structures. All these results will lead to unprecedented findings of circRNA biogenesis and function.

通过对转录组环形RNA富集、高通量测序和计算生物学分析等方法的整合，具有特殊环形结构的非编码RNA在多物种中被发现，其主要是由反向剪接环形RNA（circRNAs）构成。迄今为止，多达几十万条环形RNA在生物体内、尤其是人类中被大量发现。研究组前期工作建立了一系列高效计算生物学研究体系，揭示了顺式互补序列元件在环形RNA生成加工过程中的多层次复杂调控及其新机制，相关成果在该领域处于国际领先水平。本项目旨在前期研究基础上，进一步完善环形RNA的计算生物学研究体系，建立统一的环形RNA定量分析标准、全面发掘反式蛋白作用因子及其与顺式元件互作对环形RNA生成加工的作用和新机制，并通过解析环形RNA的闭合环状一级序列和未知二级结构特征，系统开展环形RNA新功能作用的探索。本申请项目将围绕上述前沿领域开展研究，有望在环形RNA的生成加工和功能作用这一新兴非编码RNA研究领域继续取得国际领先的新突破。

近期的研究在多种真核生物、尤其是人类组织和细胞中发现了大量的环形RNA，其数目可多达几十万个。但是，由于环形RNA的共价闭合环结构、组织和物种高度特异表达、及其序列与对应线性RNA完全重叠等固有特征，对环形RNA的生成加工、表达调控和功能作用等方面的研究仍有待加强。本项目旨在进一步开发和完善环形RNA的计算生物学研究体系，对环形RNA进行全面深入地探索。在本项目支持下，我们开发了一系列“干”-“湿”结合研究体系，系统研究了环形RNA生成加工、结构特征和功能作用等关键科学问题。主要包括多物种环形RNA的鉴定与注释并构建环形RNA分析平台，升级开发CIRCexplorer3-CLEAR计算分析流程用于环形RNA精准定量，促进环形RNA调控机制研究；开发了针对环形RNA二级结构实验数据的计算分析流程，探索环形RNA二级结构对其生物学功能的调控机制及对外源环形RNA免疫原性的影响，为环形RNA的功能及应用研究提供方向；基于CRISPR-Cas13实现特异性敲低环形RNA而不影响其同源线性RNA表达的环形RNA敲低技术体系，为功能性环形RNA的筛选和深入研究提供新策略。与此同时，在本项目的支持下，我们还拓展开发了一系列基于CRISPR-Cas系统的新型碱基编辑器、以及新型机器学习和深度学习流程，为环形RNA研究提供更丰富的技术支持，推动了环形RNA领域的发展。主要包括构建了多种单碱基水平的基因组碱基编辑（base editing）新技术体系及相关数据库，并利用上述碱基编辑系统建立可在基因组水平实现环形RNA特异敲除的新策略；开发基于深度学习方法的单细胞水平RNA多聚腺苷酸化分析流程SCAPTURE，实现单细胞水平的多聚腺苷酸位点分析及相关转录本识别和定量。这些研究成果不仅揭示了环形RNA在生成加工、二级结构和生物学功能等方面的复杂调控，也为进一步深入探索转录组非编码RNA、包括环形RNA的奥秘提供了新的技术方法和研究思路。受项目资助期间共发表标注项目号的论文23篇，其中SCI论文21篇，通讯和共同通讯作者论文16篇。