Circrna là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và đặc điểm của circRNA

circRNA (circular RNA) là một loại RNA không mã hóa có cấu trúc dạng vòng kín, được tạo thành thông qua cơ chế nối vòng (back-splicing) thay vì nối theo trật tự thông thường như mRNA. Trong cấu trúc này, đầu 3’ của một exon được nối với đầu 5’ của một exon ở trước, hình thành liên kết phosphodiester bất thường tạo nên một vòng RNA bền vững, không có đầu 5’ và đuôi 3’ tự do.

Sự thiếu vắng đầu cap 5’ và đuôi poly-A 3’ khiến circRNA không dễ bị phân hủy bởi exonuclease, dẫn đến thời gian bán rã dài hơn đáng kể so với các loại RNA tuyến tính. Vì vậy, circRNA có tính ổn định sinh học cao và thường tích lũy trong tế bào ở mức cao hơn so với mRNA. Ban đầu được xem là sản phẩm phụ không chức năng của quá trình phiên mã, circRNA hiện được công nhận là thành phần điều hòa gen có vai trò thiết yếu trong nhiều tiến trình sinh học.

Các đặc điểm nổi bật của circRNA:

• Không có đầu 5’ cap và đuôi 3’ poly-A
• Cấu trúc vòng kín, bền vững với RNase
• Ổn định cao và biểu hiện đặc hiệu mô
• Không mã hóa hoặc hiếm khi mã hóa protein

Cơ chế hình thành circRNA

Cơ chế hình thành circRNA chủ yếu là quá trình nối vòng (back-splicing) từ tiền mRNA (pre-mRNA), trong đó một đầu splice donor (5’) được nối với một đầu splice acceptor (3’) ngược chiều. Điều này xảy ra nhờ vào các yếu tố cis trong trình tự RNA như các đoạn lặp ngược (inverted repeats) và yếu tố trans như protein liên kết RNA (RNA-binding proteins, RBP). Cấu trúc phụ RNA cũng đóng vai trò hỗ trợ việc đưa các exon lại gần nhau để nối vòng.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm:

• Sự hiện diện của Alu repeats (chuỗi lặp ngược trong intron)
• Hoạt tính của RBP như Quaking (QKI), FUS, MBL
• Cấu trúc cuộn của pre-mRNA làm gần các splice site

Bảng dưới đây mô tả tóm tắt các yếu tố điều hòa và vai trò của chúng trong quá trình tạo circRNA:

Yếu tố	Loại	Vai trò
Alu repeats	Trình tự lặp ngược	Tạo cấu trúc kẹp tóc giúp nối vòng
QKI	Protein liên kết RNA	Gắn vào vùng flanking intron, thúc đẩy back-splicing
MBL (Muscleblind)	Protein điều hòa phiên mã	Điều khiển mức circRNA đặc hiệu mô

Xem chi tiết: NCBI - Circular RNAs: biogenesis, function and role in diseases

Các loại circRNA và phân loại chức năng

circRNA có thể phân loại dựa trên thành phần cấu trúc hoặc chức năng sinh học. Dựa theo thành phần, circRNA chia thành ba nhóm chính: exonic circRNA (ecircRNA), circular intronic RNA (ciRNA), và exon–intron circRNA (EIciRNA). Mỗi loại có vị trí nội bào và chức năng tiềm năng khác nhau.

• ecircRNA: cấu tạo hoàn toàn từ exon, chủ yếu phân bố ở bào tương, thường tham gia tương tác với miRNA và protein
• ciRNA: bao gồm các intron còn sót lại, nằm chủ yếu trong nhân và ảnh hưởng đến phiên mã gen
• EIciRNA: chứa cả exon và intron, tham gia điều hòa hoạt động phiên mã thông qua tương tác với phức hợp RNA polymerase II

Bảng phân loại circRNA theo thành phần:

Loại circRNA	Thành phần	Vị trí	Vai trò chính
ecircRNA	Exon	Bào tương	miRNA sponge, tương tác protein
ciRNA	Intron	Nhân	Điều hòa phiên mã
EIciRNA	Exon + Intron	Nhân	Thúc đẩy biểu hiện gen

Vai trò điều hòa gen của circRNA

circRNA đóng vai trò điều hòa biểu hiện gen thông qua nhiều cơ chế khác nhau. Một trong những chức năng nổi bật là hoạt động như miRNA sponge – các phân tử circRNA chứa nhiều vùng gắn kết (MRE – miRNA response elements) giúp thu hút và “bẫy” miRNA, làm giảm khả năng ức chế biểu hiện của chúng trên mRNA đích. Điều này gián tiếp làm tăng biểu hiện protein tương ứng.

circRNA cũng có thể tương tác trực tiếp với protein, ảnh hưởng đến vị trí nội bào, hoạt động enzyme hoặc tạo phức hợp RNA-protein điều hòa. Một số EIciRNA tương tác với U1 snRNP và RNA polymerase II để kích hoạt phiên mã ngược chiều hoặc điều hòa cis gen lân cận.

Ví dụ điển hình là ciRS-7 (còn gọi là CDR1as), một circRNA chứa hơn 70 vị trí gắn miR-7, đóng vai trò miRNA sponge mạnh mẽ trong hệ thần kinh và liên quan đến nhiều bệnh lý như ung thư, thoái hóa thần kinh và tâm thần phân liệt.

Biểu hiện mô đặc hiệu và ổn định sinh học

circRNA thể hiện tính đặc hiệu mô cao, nghĩa là mỗi mô hoặc loại tế bào có tập hợp circRNA riêng biệt, phản ánh hoạt động phiên mã và cơ chế nối vòng đặc thù. Ví dụ, nhiều circRNA được tìm thấy với tần suất cao trong não và mô thần kinh, đặc biệt là trong các vùng có mức độ phiên mã mạnh và cấu trúc intron phong phú. Tính đặc hiệu mô khiến circRNA trở thành dấu ấn sinh học tiềm năng trong phân biệt mô hoặc giai đoạn phát triển.

circRNA cũng biểu hiện ổn định vượt trội so với mRNA thông thường. Do cấu trúc vòng không có đầu 5’ và đuôi 3’, chúng kháng lại hoạt động của exonuclease và RNase R – một loại enzyme thường dùng để phân giải RNA tuyến tính. Thời gian bán rã của circRNA có thể kéo dài hàng giờ đến hàng ngày, trong khi mRNA thường chỉ tồn tại vài phút đến vài giờ.

Danh sách các đặc tính sinh học nổi bật của circRNA:

• Đặc hiệu mô và giai đoạn phát triển
• Thời gian bán rã dài hơn mRNA
• Khả năng tích lũy trong mô lão hóa
• Phát hiện được trong dịch sinh học (huyết tương, nước tiểu, nước bọt)

Xem thêm tại: Nature Reviews Molecular Cell Biology - circRNAs in gene regulation

Vai trò của circRNA trong bệnh lý

circRNA liên quan mật thiết đến nhiều loại bệnh, đặc biệt là ung thư, rối loạn thần kinh, bệnh tim mạch và viêm mãn tính. Biểu hiện tăng hoặc giảm bất thường của một số circRNA có thể làm mất cân bằng điều hòa gen, ảnh hưởng đến quá trình phân bào, chết tế bào hoặc khả năng kháng thuốc của tế bào ung thư.

Trong ung thư, circRNA có thể đóng vai trò như chất kích thích hoặc chất ức chế sinh ung (oncogenic hoặc tumor suppressor). Ví dụ, circHIPK3 được chứng minh thúc đẩy tăng sinh tế bào trong ung thư phổi và gan thông qua việc làm miRNA sponge cho miR-124. Ngược lại, một số circRNA như circITCH có thể kìm hãm sự tăng sinh ung thư bằng cách điều hòa Wnt/β-catenin.

Bảng dưới đây liệt kê một số circRNA liên quan đến bệnh:

circRNA	Bệnh liên quan	Vai trò
circHIPK3	Ung thư phổi, gan	Thúc đẩy tăng sinh
ciRS-7 (CDR1as)	Thoái hóa thần kinh, u não	Sponge miR-7
circITCH	Ung thư đại trực tràng	Ức chế Wnt/β-catenin

Chi tiết xem tại: Cell Regeneration - circRNAs in disease

Các phương pháp phát hiện và phân tích circRNA

Việc phát hiện và định lượng circRNA đòi hỏi phương pháp khác biệt với RNA tuyến tính. Giải trình tự RNA (RNA-seq) kết hợp với các thuật toán chuyên biệt như CIRCexplorer, CIRI, DCC hoặc find_circ giúp xác định tín hiệu nối vòng. Tuy nhiên, vì các chuỗi nối vòng không khớp với genome chuẩn, việc xác định chính xác cần thêm các bước xác nhận thực nghiệm.

Các kỹ thuật xác nhận circRNA:

• PCR sử dụng mồi hướng ra ngoài (divergent primers)
• Điện di Northern blot phân biệt RNA tuyến tính và vòng
• Xử lý RNase R để loại bỏ RNA tuyến tính
• qRT-PCR định lượng biểu hiện tương đối

Việc lựa chọn công cụ phân tích phù hợp tùy thuộc vào loại mẫu, mục tiêu nghiên cứu và độ chính xác mong muốn. Kết hợp dữ liệu transcriptome và proteome có thể giúp làm sáng tỏ thêm vai trò chức năng của circRNA.

Khả năng mã hóa protein của một số circRNA

Thông thường, circRNA không mã hóa protein do thiếu cấu trúc cap và poly-A cần thiết để khởi động dịch mã. Tuy nhiên, một số circRNA được phát hiện chứa khung đọc mở (ORF) và trình tự khởi đầu không phụ thuộc cap (IRES – Internal Ribosome Entry Site), cho phép ribosome gắn và dịch mã thành peptide chức năng. Ngoài ra, m6A (N6-methyladenosine) cũng có thể đóng vai trò khởi động dịch mã ở một số circRNA.

$\text{circRNA} \xrightarrow{\text{IRES + ORF}} \text{Peptide/Protein}$

Điều này mở ra khả năng rằng một số circRNA có thể đóng vai trò kép – vừa điều hòa gen, vừa là tiền chất của protein chức năng. Dù vẫn còn hiếm, các peptide có nguồn gốc từ circRNA đang được nghiên cứu trong ung thư học và miễn dịch học.

Chi tiết: Cell - Translation of circRNAs

Ứng dụng tiềm năng trong chẩn đoán và điều trị

circRNA là ứng viên lý tưởng cho chỉ dấu sinh học nhờ tính ổn định, đặc hiệu mô và khả năng phát hiện trong dịch sinh học không xâm lấn như huyết tương, nước tiểu, nước bọt. Nhiều nghiên cứu đã đề xuất circRNA như marker chẩn đoán ung thư, Alzheimer, bệnh tim mạch và các rối loạn chuyển hóa.

Về điều trị, các chiến lược như siRNA, shRNA, antisense oligonucleotide (ASO), và CRISPR-Cas13 đang được phát triển để điều chỉnh biểu hiện circRNA có hại. Mặt khác, tổng hợp circRNA nhân tạo mang chức năng điều hòa hoặc mã hóa peptide đang mở ra hướng điều trị RNA mới.

• Chẩn đoán: phát hiện circRNA trong máu, dịch não tủy
• Điều trị: chỉnh sửa gen, RNA vaccine, trị liệu miễn dịch
• Tạo mô hình bệnh: circRNA nhân tạo để bắt chước bệnh lý

Xu hướng và thách thức trong nghiên cứu circRNA

Nghiên cứu về circRNA đang phát triển mạnh nhưng vẫn còn nhiều thách thức như độ chính xác trong dự đoán splice site, chuẩn hóa thuật toán phân tích, phân biệt circRNA thật và giả trong dữ liệu RNA-seq. Việc thiếu hệ thống danh pháp chuẩn cũng gây khó khăn trong so sánh giữa các nghiên cứu.

Xu hướng hiện nay bao gồm xây dựng cơ sở dữ liệu circRNA toàn hệ gen (e.g., circBase, CIRCpedia), khai thác circRNA làm chỉ dấu bệnh lý và phát triển công nghệ tổng hợp circRNA nhân tạo. Trí tuệ nhân tạo và học sâu (deep learning) đang được ứng dụng để cải thiện độ chính xác trong dự đoán chức năng và cấu trúc circRNA.

Với tiềm năng đa dạng và tác động sâu rộng, circRNA được xem là một trong những hướng nghiên cứu chiến lược trong kỷ nguyên y học chính xác và công nghệ RNA.