環(huán)狀RNA在疾病發(fā)生中的作用

葉陽+肖元元+魏麗

[摘要] 環(huán)狀RNA（circRNA）是一類不同于線性RNA的內(nèi)源非編碼RNA，它是通過反向剪接形成的閉合環(huán)狀RNA分子，不具有5'端帽子和3'端polyA尾巴結(jié)構(gòu)，能夠穩(wěn)定存在于各種類型真核細(xì)胞中。隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展和高通量測序技術(shù)的不斷革新，目前已經(jīng)在真核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了大量內(nèi)源性circRNA，其中一些circRNA表達(dá)豐度高并呈現(xiàn)出時(shí)空表達(dá)特異性和物種間保守性，表明circRNA可能在調(diào)節(jié)基因表達(dá)方面具有重要功能。近年來研究發(fā)現(xiàn)，circRNA在神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、糖尿病和腫瘤等疾病發(fā)生過程中起著較為重要的作用，深入研究circ RNA的結(jié)構(gòu)和功能可更好地了解疾病的發(fā)生機(jī)制，提高相關(guān)疾病的預(yù)防和診斷水平。

[關(guān)鍵詞] 環(huán)狀RNA；內(nèi)源非編碼RNA；生物信息學(xué)；高通量測序；疾病的發(fā)生

[中圖分類號(hào)] R363 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2017）03（c）-0042-04

Role of cyclic RNA in the pathogenesis of disease

YE Yang1 XIAO Yuanyuan2 WEI Li2

1.Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China； 2.Department of Endocrinology and Metabolism， Sixth People's Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200233， China

[Abstract] circRNA is a class of endogenous non coding RNA， which is different from linear RNA. It is a closed cyclic RNA molecule formed by reverse splicing and lack of the 5' end cap and the 3' end of poly （A） tail structurewhich exist in various types of eukaryotic cells. With the continuous innovation of the rapid development of bioinformatics and high-throughput sequencing technology， a large number of endogenous circRNA have been found in eukaryotic cells at present， and some of themcould highly expressed and showed the specificity of expression in spatio-temporal and conservative among different species， indicating that circRNA may play an important role in the regulation of gene expression. In recent years， the study found that circRNA plays an important role in nervous system disorders， diabetes and cancer and other diseases， in-depth study of the structure and function of circRNA can be better to understand the mechanism of diseases， improve the level of diagnosis and prevention of related diseases.

[Key words] circRNA； Endogenous non coding RNA； Bioinformatics； High-through put sequencing； Disease occurrence

環(huán)狀RNA（circRNA）是一類共價(jià)閉合環(huán)狀RNA分子，無5'端帽子結(jié)構(gòu)及3'端poly A尾，不受RNA外切酶影響，穩(wěn)定且廣泛地存在于生物界，具有進(jìn)化保守性[1-4]。1976年，Sanger等[5]在植物類病毒中發(fā)現(xiàn)了circRNA。當(dāng)時(shí)僅僅認(rèn)為circRNA是一類因外顯子轉(zhuǎn)錄過程發(fā)生錯(cuò)誤剪接而形成的低豐度RNA分子。近年來隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展和高通量測序技術(shù)的不斷革新，Jeck等[4]在人類成纖維細(xì)胞中檢測出高達(dá)25000 多種的circRNA，Memczak等[6]通過RNA測序數(shù)據(jù)結(jié)合人白細(xì)胞數(shù)據(jù)庫[7]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。

circRNA由特殊的前體mRNA（pre-mRNA）可變剪接產(chǎn)生，主要剪接機(jī)制包括內(nèi)含子配對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)化[8-9]和外顯子跳讀[10-12]。通過剪接得到的環(huán)狀RNA類型可以分為以下3類：外顯子circRNA（exoniccircRNAs，ecircRNA），內(nèi)含子circRNA（circular intronic RNAs，ciRNAs）及內(nèi)含子外顯子共同組成的circRNA（exon-intron circular RNA，ElciRNAs）[13]。

1 circRNA的功能

1.1 作為microRNA分子的海綿體

由外顯子構(gòu)成的ecircRNA具有穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且大多數(shù)ecircRNA包含有miRNA結(jié)合位點(diǎn)，因此，ecircRNA可以作為高效的競爭性內(nèi)源RNA，有效吸附miRNA從而調(diào)控miRNA的靶基因[13]。然而，circRNA作為miRNA 海綿，與miRNA相互作用的具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步探明。

1.2 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄

Zhang等[14]首次在人細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了ciRNA。與exoniccircRNAs不同，ciRNAs含有很少的miRNA結(jié)合位點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)證明，部分ciRNAs定位于其轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)附近，并可以結(jié)合RNA聚合酶Ⅱ復(fù)合體，通過某些機(jī)制影響RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄，從而對(duì)其母體基因發(fā)揮順式調(diào)控作用。

2 在疾病發(fā)生中的作用

2.1 在糖尿病發(fā)生的作用

小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物（antisense to the cerebellar degeneration-relatedprotin 1 transcript，CDR 1as），也稱作環(huán)狀RNA-7（CDR1as/CiRS-7），具有至少70個(gè)與微小RNA-7（miR-7）相結(jié)合的保守結(jié)合位點(diǎn)，CDR1as（CiRS-7）可充當(dāng)miR-7海綿，調(diào)節(jié)miR-7靶基因的表達(dá)水平[15]。CDR1as（CiRS-7）在糖尿病的診療過程中具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，miR-7是胰島β細(xì)胞增殖的負(fù)調(diào)節(jié)物，其在胰島β細(xì)胞中的過表達(dá)會(huì)損傷β細(xì)胞去分化功能和導(dǎo)致胰島素分泌的下調(diào)，從而引起糖尿病。另外miR-7通過哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路抑制胰島β細(xì)胞擴(kuò)增，而CDR1as（CiRS-7）能夠抑制miR-7功能，從而刺激胰島β細(xì)胞擴(kuò)增。表明miR-7 可能影響胰腺β細(xì)胞的更新，同時(shí)也是糖尿病的潛在治療靶點(diǎn)[16]。

近期，Xu等[17]發(fā)現(xiàn)利用Forskolin和PMA刺激胰島β細(xì)胞，可使胰島β細(xì)胞中CDR1as（CiRS-7）在24 h內(nèi)表達(dá)量增加，通過吸附miR-7，上調(diào)其靶基因Myrip、Pax6的表達(dá)，來達(dá)到調(diào)節(jié)胰島素分泌的效果。通常情況下，miR-7對(duì)Myrip、Pax6有抑制作用，當(dāng)CDR1as抑制了miR-7的功能時(shí)，Pax6可以促進(jìn)胰島素基因的復(fù)制，Myrip可以協(xié)助胰島素基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)，共同作用來上調(diào)胰島素的分泌。這種錯(cuò)綜復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)有助于維持體內(nèi)胰島素的平衡，可能會(huì)使改善胰島β細(xì)胞功能成為新的糖尿病治療方向。

除此之外，Zhao等[18]最近發(fā)現(xiàn)外周血Hsa_circ_ 0054633可作為前期糖尿病與2型糖尿病的診斷標(biāo)志物。研究人員通過采集健康樣本和2型糖尿病的樣本的外周血circRNAs進(jìn)行微點(diǎn)陣分析，發(fā)現(xiàn)在糖尿病樣本中有489種circRNAs與正常樣本中circRNAs的差異表達(dá)明顯，再從這489種circRNAs中選取5個(gè)候選標(biāo)志物來進(jìn)一步的驗(yàn)證，這其中就包括Hsa_circ_0054633。經(jīng)過測試，Hsa_circ_0054633可以作為2型糖尿病的診斷標(biāo)志物。

2.2 在癌癥發(fā)生中的作用

2.2.1 胃癌 Li等[19]發(fā)現(xiàn)Hsa_circ_002059 很可能是胃癌診斷的一個(gè)較精準(zhǔn)的生物標(biāo)志物。通過收集101例胃癌患者手術(shù)后的胃癌組織和癌旁組織的circRNAs和36例血漿標(biāo)本，通過對(duì)胃癌組織和癌旁組織的circRNAs分析測定，發(fā)現(xiàn)Hsa_circ_002059在術(shù)后胃癌患者血漿中的水平與術(shù)前胃癌患者相比有顯著性差異，同時(shí)胃癌組織中的Hsa_circ_002059水平顯著低于鄰近的非腫瘤組織，且它的水平與胃癌的腫瘤階段顯著相關(guān)。這就表示可以通過對(duì)患者Hsa_circ_002059分子含量的測定來達(dá)到鑒別和診斷的效果。

2.2.2 肝癌 Xu等[20]發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNA-7（CDR1as/CiRS-7）在肝癌組織中的含量與肝的微血管侵犯（MVI）發(fā)生概率密切相關(guān)。癌細(xì)胞侵犯微血管的患者有顯著的復(fù)發(fā)率，對(duì)預(yù)后有著較大的影響。已有研究表明CDR1as（CiRS-7）和miR-7的表達(dá)存在明顯的負(fù)相關(guān)性，當(dāng)肝癌細(xì)胞中的CDR1as（CiRS-7）過表達(dá)時(shí)，會(huì)通過吸附miR-7來抑制其活性，這是因?yàn)閙iR-7在肝癌細(xì)胞中，增強(qiáng)其靶基因PIK3CD和p70S6K表達(dá)能力，從而通過某些機(jī)制來增加微血管侵犯（MVI）的概率，導(dǎo)致癌細(xì)胞復(fù)發(fā)率增加，影響疾病的預(yù)后。CDR1as（CiRS-7）可能是一個(gè)很有前途的肝的微血管侵犯（MVI）生物標(biāo)志物和一種抑制肝的微血管侵犯（MVI）新的治療靶點(diǎn)。

2.2.3 宮頸癌 研究發(fā)現(xiàn)[21]，環(huán)狀RNA-7（CDR1as/CiRS-7）和微小RNA-7（miR-7）以及黏著斑激酶（Focal Adhesion Kinase，F(xiàn)AK）之間的相互作用與宮頸癌有著密切的聯(lián)系。在宮頸癌組織中CDR1as（CiRS-7）、miR-7的表達(dá)存在明顯的負(fù)相關(guān)性。在宮頸癌組織中CDR1as（CiRS-7）的表達(dá)高于癌旁組織，而微小miR-7在人宮頸癌組織中的表達(dá)低于癌旁組織。在宮頸癌細(xì)胞Hela和C33A細(xì)胞中過表達(dá)ciRS-7后，ciRS-7抑制miR-7的活性，從而提高了細(xì)胞中miR-7的靶基因FAK的表達(dá)，F(xiàn)AK能夠促進(jìn)宮頸癌細(xì)胞的增殖、侵襲及遷移，加劇了疾病的惡化。從而針對(duì)CiRS-7調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的分子靶向治療有望為宮頸癌的診斷和治療提供新的方向。

2.3 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生中的作用

CDR1as（CiRS-7）最早被發(fā)現(xiàn)表達(dá)于腦組織，尤其在大腦。Lukiw[22]發(fā)現(xiàn)，在散發(fā)型阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）的海馬CA1 區(qū)域存在miRNA-circRNA系統(tǒng)的失調(diào)節(jié)。當(dāng)CDR1as（CiRS-7）表達(dá)降低或吸附miR-7的能力減弱時(shí)，miR-7的表達(dá)就會(huì)增加，在AD中miR-7的含量增加會(huì)直接導(dǎo)致人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有重要作用的泛素蛋白連接酶A表達(dá)下調(diào)，從而影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能，對(duì)腦組織造成嚴(yán)重?fù)p傷[23]。

此外，CDR1as（CiRS-7）和miR-7以及α-突觸核蛋白的相互作用在帕金森?。?Parkinson's disease，PD）中也起重要的調(diào)節(jié)作用。研究表明當(dāng)CDR1as（CiRS-7）過表達(dá)時(shí)，PD中miR-7活性明顯減弱，這時(shí)miR-7對(duì)α-突觸核蛋白抑制能力減弱，造成α-突觸核蛋白的高表達(dá)，α-突觸核蛋白的高表達(dá)可以損傷神經(jīng)元的正常功能，對(duì)患者造成進(jìn)一步的危害。因此研究CDR1as（CiRS-7）和miR-7以及α-突觸核蛋白之間的調(diào)控機(jī)制能夠弄清PD的發(fā)病機(jī)制和發(fā)現(xiàn)一些新的有效的治療手段[24]。

2.4 在心臟疾病發(fā)生中的作用

近期，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNA-Foxo3在心臟衰老和心臟應(yīng)激反應(yīng)中具有重要的作用[25]。研究人員發(fā)現(xiàn)Foxo3在老年患者和衰老小鼠心臟中都出現(xiàn)高表達(dá)的現(xiàn)象，當(dāng)沉默F(xiàn)oxo3時(shí)，小鼠的成纖維細(xì)胞就會(huì)出現(xiàn)衰老減緩甚至停止衰老的現(xiàn)象，而當(dāng)誘導(dǎo)Foxo3過表達(dá)時(shí)，會(huì)加劇細(xì)胞的衰老，從而造成心臟的衰老。研究還發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中的抗衰老因子，例如ID-1、E2F1、FAK 和HIF1α，在與Foxo3相互作用之后就會(huì)被限制在細(xì)胞質(zhì)中，失去原有的抗衰老和抗應(yīng)激的作用，從而加劇了細(xì)胞的衰老。這些現(xiàn)象說明了Foxo3是心臟疾病的潛在治療靶點(diǎn)，通過了解和研究其具體工作機(jī)制，有益于對(duì)心臟疾病的預(yù)防和治療。

此外，Wang等[26]發(fā)現(xiàn)與心臟相關(guān)的環(huán)狀RNA（HRCR）可以通過調(diào)控小分子RNA-miR-223的表達(dá)來保護(hù)心臟，避免出現(xiàn)心肌肥大和心衰等現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因小鼠中過表達(dá)miR-223時(shí)，小鼠會(huì)出現(xiàn)心肌肥大和心力衰竭的現(xiàn)象，而缺乏miR-223的小鼠可以避免這種現(xiàn)象。當(dāng)在小鼠中過表達(dá)HRCR時(shí)，HRCR可以作為miR-223的海綿體來抑制miR-223的表達(dá)，從而減弱小鼠心肌肥大和心衰的現(xiàn)象。因此HRCR和miR-223的相互作用可以作為心臟疾病的一個(gè)新型診療手段。

3 小結(jié)

隨著高通量測序和生物信息學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的circRNA被發(fā)現(xiàn)，circRNA的廣泛性，保守性及組織特異性，這些性質(zhì)都預(yù)示著它在未來可能成為一種新型的生物標(biāo)志物[27]。盡管目前人們對(duì)circ RNA的了解僅僅是冰山一角，闡明circRNA生物學(xué)功能與機(jī)制還相當(dāng)遙遠(yuǎn)，但天然生成的circRNA作為miRNA 海綿，通過與miRNA 相互作用從而調(diào)控miRNA靶基因的表達(dá)，這豐富了人們對(duì)非編碼RNA的認(rèn)知，顛覆了RNA僅僅是DNA與編碼蛋白之間傳遞者的傳統(tǒng)理念，呈現(xiàn)出一種新的現(xiàn)象和一種新的研究領(lǐng)域。目前circRNA的命名尚未統(tǒng)一，比較權(quán)威的circRNA數(shù)據(jù)庫“circBase”已經(jīng)收錄了十萬多種circRNA。而circRNA在臨床疾病上的應(yīng)用也為許多疾病提供了一個(gè)研究的新思路，是一種充滿前景的生物標(biāo)記物甚至治療靶點(diǎn)。目前circRNA在糖尿病，癌癥等疾病上的治療都有較好的應(yīng)用，而研究其具體的機(jī)制，藥物開發(fā)，都是很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是有很大意義和價(jià)值的研究過程。可以相信經(jīng)過科研人員的不懈努力，circRNA的奧秘將慢慢浮出水面，帶給人們更多的驚喜和突破。

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（收稿日期：2016-12-27 本文編輯：蘇 暢）