環(huán)狀RNA 的生物學功能

宋新強 張麗麗

(河南省信陽師范學院生命科學學院 464000)

1 環(huán)狀RNA的發(fā)現(xiàn)

環(huán)狀RNA(circRNA) 也可稱為環(huán)形RNA，是新近確認的一類特殊的非編碼RNA(ncRNA)分子，廣泛且多樣地存在于哺乳動物細胞中，具有調(diào)控基因表達的作用，是RNA領(lǐng)域最新的研究熱點。circRNA 最早于20 世紀70 年代在RNA 病毒中被發(fā)現(xiàn)[1]。1979年，Hsu[2]利用電子顯微鏡第一次觀察到RNA 可以以環(huán)狀的形式存在于真核細胞的細胞質(zhì)中。緊接著，Arnberg 等[3]在酵母的線粒體中又發(fā)現(xiàn)了circRNA。1993年，在人體細胞的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中也發(fā)現(xiàn)了一些由外顯子來源的circRNA。但是，當時僅僅認為circRNA是一類因外顯子轉(zhuǎn)錄過程發(fā)生錯誤剪接而形成的低豐度RNA 分子，因而對它們的研究不夠深入，以至于到1999 年發(fā)現(xiàn)的circRNA 數(shù)目也只有少數(shù)幾種[4]。隨著RNA 測序(RNA-seq) 和生物信息學等技術(shù)的快速發(fā)展，人們在大規(guī)模研究轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，circRNA 并不像之前所認為的那樣是一種極罕見現(xiàn)象。相反，其大量存在于真核細胞中。Jeck 等[5]在人類成纖維細胞中檢測出高達25000 多種的circRNA； Memczak 等[6]通過RNA-seq 數(shù)據(jù)結(jié)合人白細胞數(shù)據(jù)庫鑒定出1950 種人類circRNA、1903 種小鼠circRNA (其中81 種與人類circRNA 相同) 和724 種線蟲circRNA。Danan 等[7]發(fā)現(xiàn)，circRNA 在古生菌細胞中也普遍存在，并認為其極有可能具有生物學功能。

2 circRNA 的形成過程

目前發(fā)現(xiàn)的circRNA分子根據(jù)其在基因組中的來源及其構(gòu)成序列的不同可以分為以下三類，即外顯子來源的環(huán)狀RNA分子(exonic circRNAs)、內(nèi)含子來源的環(huán)狀RNA分子(ciRNAs)以及由外顯子和內(nèi)含子共同組成的環(huán)狀RNA分子(retained-intron circRNAs)[8]。盡管其加工成熟機制尚不完全清楚，但是目前的研究表明，這三類環(huán)狀分子具有完全不同的產(chǎn)生方式。①exonic circRNAs，由非順序剪接，通過反向剪接形成。exonic circRNAs在細胞中廣泛存在。目前對于其反向剪接的機制推測有兩種模型。其中一種模型認為，在pre-RNA的轉(zhuǎn)錄過程中，由于RNA發(fā)生部分折疊，拉近了原本非相鄰的外顯子，從而發(fā)生外顯子跳躍，使得被跨越的區(qū)域形成環(huán)狀RNA中間體，進一步通過剪接形成由外顯子構(gòu)成的環(huán)狀RNA分子；另一種模型認為，位于內(nèi)含子區(qū)域的反向互補序列導致內(nèi)含子區(qū)域配對，介導反向剪接從而形成環(huán)狀RNA分子。②ciRNAs，大多數(shù)內(nèi)含子在經(jīng)過剪接后形成套索結(jié)構(gòu)，通常情況下經(jīng)過脫分支后很快被降解。研究發(fā)現(xiàn)，一些內(nèi)含子如果含有某些關(guān)鍵的核酸序列，就可以在剪接發(fā)生后不被脫分支酶作用，從而形成內(nèi)含子來源的ciRNAs。與exoniccircRNAs最大的區(qū)別是：ciRNAs是3′-5′磷脂鍵環(huán)化的分子，exonic circRNAs是2′-5′磷脂鍵環(huán)化的分子。③retained-intron circRNAs，在反向剪接形成exonic circRNAs的過程中，由于某種原因含有未剪接內(nèi)含子的環(huán)狀RNA分子也可以穩(wěn)定存在，這類環(huán)狀RNA分子可能是剪接過程中的中間體，也有可能是一類獨立存在的環(huán)狀RNA分子。

3 circRNA的主要特征

circRNA 具有以下重要特征：① circRNA 由特殊的可變剪切產(chǎn)生，大量存在于真核細胞的細胞質(zhì)中，但少部分內(nèi)含子來源的circRNA 則存在于核酸內(nèi)，具有一定的組織、時序和疾病特異性；② 廣泛存在于人體細胞中，有時甚至超過它們線性異構(gòu)體的10 倍之多；③ 與傳統(tǒng)的線型RNA (linearRNA，含5′和3′末端) 不同，circRNA 分子呈封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不易被核酸外切酶RNaseR 降解，比線性RNA 更穩(wěn)定；④具有高度保守性，部分具有快速的進化性改變；⑤ 大多數(shù)來源于外顯子，少部分由內(nèi)含子直接環(huán)化形成；⑥可充當競爭性內(nèi)源RNA，在細胞中起到miRNA 分子海綿的作用；⑦大部分是非編碼RNA；⑧大多數(shù)circRNA 能在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮調(diào)控作用，少數(shù)只能在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮作用。circRNA 的其他特征還有待闡明。

4 circRNA生物學功能

經(jīng)過RNA深度測序并結(jié)合生物信息學分析，從古生菌到人類細胞中發(fā)現(xiàn)大量的環(huán)狀RNA分子。近期的研究表明，這類廣泛存在的環(huán)狀RNA分子并不是剪接副產(chǎn)物，而是具有功能的生物大分子，包括充當miRNA分子海綿，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，與RNA結(jié)合蛋白相互作用，翻譯蛋白質(zhì)等[9]。

4.1 類似miRNA分子海綿的作用 細胞內(nèi)的競爭性內(nèi)源RNA具有數(shù)量和種類不等的miRNA結(jié)合位點，可以競爭性的結(jié)合miRNA，降低miRNA對其靶基因的抑制作用，上調(diào)靶基因的表達水平。研究表明，兩個來源于基因外顯子的exonic circRNAs可以像競爭性內(nèi)源RNA那樣，起到miRNA分子海綿的作用，通過吸附miRNA，進而調(diào)控基因表達水平。其中之一為定位于胞漿中的CDR1as，其主要在人和老鼠的腦中表達。CDR1as長度約為1.5 kb，含有74個miR-7的結(jié)合位點，其中超過60個位點是保守的。敲除CDR1as，可降低miR-7靶分子的表達水平；反之，過表達CDR1as，則抑制miR-7的作用。另一條作為miRNA分子海綿的環(huán)狀RNA分子Sry也具有類似的特征和功能，含有miR-138的16個結(jié)合位點，通過競爭性結(jié)合miR-138，從而減弱miR-138的抑制作用。目前只有上述CDR1as和Sry這兩條環(huán)狀RNA分子被證明具有miRNA分子海綿功能，而其他大部分環(huán)狀RNA分子含有很少的miRNA結(jié)合位點。

4.2 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄 近期，有關(guān)課題組[8]鑒定出一種來源于基因內(nèi)含子區(qū)域的新型環(huán)狀RNA分子(ciRNAs)，初步研究表明，這些ciRNAs可參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。與exonic circRNAs不同，ciRNAs含有很少的miRNA結(jié)合位點，并且主要定位于細胞核中。通過DNA/RNA 雙原位雜交實驗，顯示部分ciRNAs定位于其轉(zhuǎn)錄位點附近，并可以結(jié)合RNA聚合酶II復合體，通過未知的機制影響RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄，從而對其parent基因發(fā)揮順式調(diào)控作用。ciRNAs除了在其轉(zhuǎn)錄位點富集，還在細胞核的其他區(qū)域有點狀聚集，提示其可能還發(fā)揮反式調(diào)節(jié)作用。

4.3 與RNA結(jié)合蛋白的相互作用 線性RNA吸附蛋白因子已有報道，同樣，環(huán)狀RNA分子也可以吸附蛋白因子。例如，CDR1as和Sry與miRNA效應因子Argonaute (AGO)的結(jié)合，ciRNAs與RNA聚合酶II復合體的相互作用[10]，提示環(huán)狀RNA分子可以作為腳手架，為蛋白質(zhì)與RNA、蛋白質(zhì)與DNA、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用提供平臺。

4.4 蛋白質(zhì)翻譯 除了可以在RNA水平發(fā)揮功能，環(huán)狀RNA分子還可以像線性mRNA分子一樣翻譯形成蛋白質(zhì)。例如，B型肝炎病毒中的環(huán)狀RNA分子hepatitis δ，能夠編碼一個病毒相關(guān)蛋白，并在疾病的發(fā)生中發(fā)揮作用[11]。但是，這種現(xiàn)象目前只在病毒中得到觀察。在真核生物中，含有ATG起始密碼子的環(huán)狀RNA分子能否像線性mRNA一樣被核糖體識別進行蛋白質(zhì)的翻譯，還需進一步確認。

4.5 作為生物標志物 circRNA在結(jié)構(gòu)上較線性RNA具有更高的穩(wěn)定性，其組織特異性和穩(wěn)定性使其有可能成為一種良好的生物標志物。另外，circRNA 與疾病發(fā)生的密切相關(guān)，通過與疾病關(guān)聯(lián)的miRNA 相互作用，circRNA 在疾病發(fā)生中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，可望成為新型的疾病臨床診斷標志物。

(基金項目：國家自然科學基金項目“基于SlSCPx穩(wěn)定細胞株高通量篩選昆蟲生長抑制劑及抑制活性研究”，No. 31501902；河南省科技廳項目“基因拷貝數(shù)變異與類風濕關(guān)節(jié)炎遺傳易感性的關(guān)聯(lián)研究”，No. 142102310050；河南省教育廳項目“6p21.3和1q31.3區(qū)拷貝數(shù)變異與類風濕關(guān)節(jié)炎遺傳易感性的關(guān)聯(lián)及機制研究”，No. 14B310010；2014年大學生科研項目“補體因子H相關(guān)蛋白基因多態(tài)性與類風濕關(guān)節(jié)炎相關(guān)性研究”)