環(huán)狀RNA在豬中的研究進展

喬木+程碧軍+付晶+武華玉+吳俊靜+劉貴生+梅書棋+彭先文

摘要：環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）對基因的表達有重要調(diào)控作用，綜述了circRNA的特征、形成機制及生物學(xué)功能，并對近年circRNA在豬中的研究進展進行了歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞：環(huán)狀RNA；分子特征；生物學(xué)功能

中圖分類號：S828；Q78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4685-03

環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）呈閉合環(huán)狀，是一類不具有5′末端帽子和3′末端尾巴的特殊內(nèi)源性非編碼RNA，是目前RNA研究領(lǐng)域的新熱點，普遍存在于人、鼠、獼猴、豬等各類動物體內(nèi)[1-5]。研究發(fā)現(xiàn)circRNA在轉(zhuǎn)錄本中實際上所占比例相當(dāng)大，一些基因的circRNA表達量至少是其線性轉(zhuǎn)錄本的10倍[1]。近年來的研究顯示，circRNA在生物的發(fā)育進程中發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能，同時對于基因表達也具有重要調(diào)控作用，包括對其親本基因及與之結(jié)合miRNA的靶基因調(diào)控。環(huán)狀RNA在生物體內(nèi)非常穩(wěn)定，在疾病的發(fā)生與發(fā)展過程中也扮演著重要角色，這使circRNA的研究具有重大意義。

1 環(huán)狀RNA的發(fā)現(xiàn)

1976年，Sanger等[2]利用電鏡首先在植物感染的類病毒（Viroids）中發(fā)現(xiàn)了這些以共價鍵形成的閉合環(huán)狀單鏈RNA分子。1990年，首次在真菌細胞中發(fā)現(xiàn)其蹤跡，Matsumoto等[6]在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)20S RNA沒有自由的5′端和3′端，通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)是呈環(huán)形的RNA分子。隨后發(fā)現(xiàn)從腫瘤抑制基因DCC、人Ets-1基因以及小鼠Sry基因中轉(zhuǎn)錄而來的環(huán)狀RNA[7-9]。盡管在真核細胞中早已發(fā)現(xiàn)了circRNA的存在，但卻被視為一種由外顯子轉(zhuǎn)錄發(fā)生剪接錯誤而未能引起科學(xué)家的關(guān)注[9]。

隨著RNA測序（RNA sequencing，RNA-seq）技術(shù)的發(fā)展及生物信息技術(shù)的更新和完善，使生物學(xué)家們累積了大量的RNA序列數(shù)據(jù)，其中一些來自無尾巴的RNA，于是circRNA的研究成為新熱點[1]。近年來，科學(xué)家們陸續(xù)在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了大量內(nèi)源性、保守且穩(wěn)定的circRNA，在動物（人、小鼠、果蠅、線蟲、斑馬魚等）、植物（擬南芥）、真菌（釀酒酵母等）、原生生物（瘧原蟲等）中的circRNA存在明顯的差異[10]。Danan等[11]在古細菌中發(fā)現(xiàn)circRNA大量存在并具有一定的生物學(xué)功能，且具有很高的保守性。

2 環(huán)狀RNA的特征

目前已鑒定的circRNA主要有以下特征：①circRNA存在于多種真核生物中，在同種生物的不同組織中也廣泛存在[2-8]。它們在人體細胞中廣泛表達，有些circRNA的表達水平甚至超過其線性異構(gòu)體10倍之多[1，12]。②多數(shù)具有高度保守序列[1，12]，僅少數(shù)在進化上不保守[13]。③大多數(shù)定位于細胞質(zhì)中，少數(shù)定位于細胞核內(nèi)[13]。④多由一個或多個外顯子形成，少數(shù)來源于內(nèi)含子或內(nèi)含子片段。⑤大部分是非編碼RNA（noncodingRNA，ncRNA）。⑥circRNA 呈閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不具有像線性RNA的5′和3′游離末端，不易被RNA核糖核酸酶R（Ribonuclease R，RNase R）分解，與線性RNA相比更穩(wěn)定[13]。環(huán)狀RNA的半衰期一般超過48 h，可利用RNase R消化其他RNA，提純circRNA[14]。因此RNase R的處理對circRNA起富集作用，并成為判定RNA是否成環(huán)的一個重要條件。有研究懷疑有少部分circRNA對RNase R敏感[15]，還有待證實。⑦部分circRNA擁有miRNA應(yīng)答元件（miRNA response element，MRE），具有miRNA sponge功能，與miRNA相互作用，調(diào)控靶基因的表達[16]。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)能在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮作用。

3 環(huán)狀RNA的功能

通過高通量測序和生物信息學(xué)分析已經(jīng)在真核生物中鑒定了大量的circRNA，這些circRNA呈現(xiàn)出時空表達特異性和物種間的保守性，說明circRNA可能在真核生物基因表達調(diào)控上具有重要作用。circRNA可能通過以下4種方式發(fā)揮其生物學(xué)功能，分別是miRNA海綿[17，18]、作為翻譯模板[19，20]、調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[21，22]、與RNA結(jié)合蛋白作用[1，16，17]。

3.1 circRNA充當(dāng)miRNA分子“海綿”

由外顯子構(gòu)成的ecRNA具有穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且大多數(shù)ecRNA包含有miRNA結(jié)合位點。ecRNA可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。小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物（Antisense to the cerebellar degeneration-related protein 1 transcript，CDR1as）是一種ecRNA，長度約為1.5 kb，定位于細胞質(zhì)中，主要在人和小鼠的腦中表達，含有超過60個能夠與miR-7結(jié)合的保守性位點，從而作為miR-7分子海綿影響miR-7靶基因表達，因此，也被稱為miR-7的circRNA海綿（CircularRNA sponge for miR-7，curs-7）[17，18，23]。性別決定基因（Sex-determining region Y，Sry）對決定哺乳動物性別具重要作用，Sry基因在睪丸中可產(chǎn)生環(huán)狀轉(zhuǎn)錄本，SrycircRNA至少有16個與miR-138結(jié)合的保守性位點，可作為miR-138海綿發(fā)揮作用[18]。

3.2 作為翻譯模板

通常情況下circRNA是不可以被翻譯的，因此被定義為一類新的非編碼RNA[24]。而近年來研究發(fā)現(xiàn)一些circRNA包含有外顯子序列，可能被翻譯成蛋白質(zhì)。最早報道的是δ肝炎病毒的單鏈環(huán)狀RNA基因組能夠在哺乳動物細胞中翻譯成病毒相關(guān)蛋白質(zhì)，并在肝炎發(fā)生過程中發(fā)揮作用[25]。endprint

3.3 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄

研究人員發(fā)現(xiàn)，細胞核內(nèi)含量豐富的ciRNA（如ci-ankrd52，ci-sirt7）和ElciRNA（如circEIF3J，circPAIP2）分子可以與U1 snRNP進行RNA-RNA相互作用，形成的ciRNA-U1 snRNP或EIciRNA-U1 snRNP復(fù)合物在母系基因啟動子區(qū)與RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄復(fù)合體結(jié)合，順式調(diào)控其母系基因的表[21，22]。

3.4 circRNA與蛋白相互作用

circRNA也有蛋白吸附的功能。錨蛋白重復(fù)域52環(huán)狀RNA（ankyrin repeat domain 52 circular intronic RNA，ci-ankrd 52）、真核翻譯起始因子3亞基J環(huán)狀RNA（eukaryotic translation initiationfactor 3 subunit J circular RNA，circEIF3J）和多聚腺苷酸結(jié)合蛋白相互作用蛋白2環(huán)狀RNA（polyadenylate-binding protein-interacting protein 2 circularRNA，circPAIP2）可與RNA聚合酶Ⅱ復(fù)合體相互作用，從而最終調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄[21，22]；circMb1側(cè)翼內(nèi)含子中有許多盲?。╩uscleblind，MBL）蛋白結(jié)合位點，有研究顯示，MBL與盲肌環(huán)狀RNA（muscleblind circular RNA，circMbl）的生物學(xué)合成有關(guān)，當(dāng)MBL蛋白過量時，其會通過促進circMbl的生成來降低自身mRNA的水平，生成的環(huán)狀RNA分子再通過與多余的MBL結(jié)合將其消除[26]。

4 circRNA在豬中的研究進展

Ven？覬等[5]通過高通量測序研究豬妊娠期間（6個時間點）腦組織（5個分區(qū)）發(fā)育相關(guān)的circRNA，共鑒定4 634個circRNA，其中在妊娠中期皮質(zhì)中circRNA表達豐度最高，提示circRNA在豬胚胎腦發(fā)育方面具有重要調(diào)控作用；Sun等[27]等通過Ribo-Zero RNA-Seq在長白豬和藍塘豬背最長肌中檢測到4 360個差異表達的circRNA，其中236個與肌細胞生成相關(guān)；Liang等[28]從豬脂肪、心肌和肝等9種不同組織以及3個發(fā)育階段的骨骼肌中，系統(tǒng)鑒定5 934個circRNA，繪制了豬circRNA時空圖譜，并構(gòu)建了首個農(nóng)業(yè)動物的環(huán)狀RNA數(shù)據(jù)庫。目前有關(guān)circRNA的研究主要集中于疾?。ㄓ绕涫前┌Y），在豬上的研究還鮮有報道，在豬中深度挖掘參與調(diào)控經(jīng)濟性狀（脂肪沉積、肌肉發(fā)育、動物繁殖等）相關(guān)的circRNA，將成為未來豬遺傳育種研究的新方向。

5 小結(jié)

circRNA的研究還剛剛興起，但其重要性引起了國際上學(xué)者的高度重視，并逐漸揭開circRNA的面紗。circRNA的廣泛性，保守性及組織特異性等特質(zhì)，都預(yù)示著它可能成為一種新型的生物標志物。circRNA參與了生物的生長發(fā)育、衰老、疾病等多種生命活動過程，在轉(zhuǎn)錄后水平具有調(diào)控基因表達的重要功能，對circRNA進行研究具有重要意義。

參考文獻：

[1] JECK W R，SORRENTINO J A，WANG K，et al. Circular RNAs are abundant，conserved，and associated with ALU repeats[J].RNA，2013，19（2）：141-157.

[2] SANGER H L，KLOTZ G，RIESNER D，et al. Viroids are single-stranded covalently closed circular RNA molecules existing as highly base-paired rod-like structures[J].Proc Natl Acad Sci USA，1976，73（11）：3852-3856.

[3] CAPEL B，SWAIN A，NICOLIS S，et al. Circular transcripts of the testis-determining gene Sry in adult mouse testis[J].Cell， 1993，73（5）：1019-1030.

[4] ABDELMOHSEN K，PANDA A C，DE S，et al. Circular RNAs in monkey muscle：Age-dependent changes[J].Aging，2015，7（11）：903-1002.

[5] VENφ M T，HANSEN T B，VENφ S T，et al. Spatio-temporal regulation of circular RNA expression during porcine embryonic brain development[J]. Genome Biology，2015，16（1）：245.

[6] MATSUMOTO Y，F(xiàn)ISHEL R，WICKNER R. Circular single-stranded RNA replicon in Saccharomyces cerevisiae[J].Proc Natl Acad Sci USA，1990，87（19）：7628-7632.

[7] NIGRO J M. Scrambled exons[J].Cell，1991，64（3）：607-613.

[8] CAPEL B，SWAIN A. Circular transcripts of the tesis-determinning gene Sry in adult mouse testis[J].Cell，1993，5：1019-1030.endprint

[9] COCQUERELLE C，MASCREZ B，HETUIN D，et al. Mis-splicing yields circular RNA molecules[J].FASEB J，1993，7（1）：155-60.

[10] WANG P L，BAO Y，YEE M C，et al. Circular RNA is expressed across the eukaryotic tree of life[J].PLoS One，2014， 9（6）：e90859.

[11] DANAN M. Transcriptome-wide discovery of circular RNAs in Archaea[J].Nucleic Acids Res，2011，7：3131-3142.

[12] SALZMAN J，GAWAD C，WANG P L，et al. Circular RNAs are the predominant transcript isoform from hundreds of human genes in diverse cell types[J].PLoS One，2012，79（2）：e30733.

[13] ZHANG Y，ZHANG X O，CHEN T，et al. Circular intronic long Noncoding RNAs[J].Molecular Cell，2013，51（6）：792-806.

[14] SUZUKI H. Characterization of RNase R-digested cellular RNA source that consists of lariat and circular RNAs from pre-mRNA splicing[J].Nucleic Acids Res，2006，34（8）：e63.

[15] 劉駿武，陳玲玲.淺蟲環(huán)狀RNA分析[J].計算機生物學(xué)，2015（5）：17-28.

[16] JECK W R，SHARPLESS N E. Detecting and characterizing circular RNAs[J].Nature Biotechnology，2014，32（5）：453-461.

[17] MEMCZAK S，JENS M，ELEFSINIOTI A，et al. Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency[J].Nature，2013，495（7441）：333-338.

[18] HANSEN T B，JENSEN T I，CLAUSEN B H，et al. Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges[J].Nature，2013，495（7441）：384-388.

[19] WANG Y，WANG Z. Efficient backsplicing produces translatable circular mRNAs[J].Rna-a Publication of the Rna Society，2015，21（2）：172-179.

[20] SURONO A，TAKESHIMA Y，WIBAWA T，et al. Circular dystrophin RNAs consisting of exons that were skipped by alternative splicing[J].Human Molecular Genetics，1999，8（3）：493-500.

[21] ZHANG Y，ZHANG X O，CHEN T，et al. Circular intronic long noncoding RNAs[J].Molecular Cell，2013，51（6）：792-806.

[22] LI Z，HUANG C，BAO C，et al. Exon-intron circular RNAs regulate transcription in the nucleus[J].Nature Structural & Molecular Biology，2015，22（3）：256-264.

[23] HANSEN T B，KJEMS J，DAMGAARD C K. Circular RNA and miR-7 in cancer[J].Cancer Research，2013，73（18）：5609-5612.

[24] GUO J U，AGARWAL V，GUO H，et al. Expanded identification and characterization of mammalian circular RNAs[J].Genome Biology，2014，15（7）：409-415.

[25] KOS A，DIJKEMA R，ARNBERG A C，et al. The hepatitis delta（delta） virus possesses a circular RNA[J].Nature，1986， 323（6088）：558-560.

[26] ASHWAL-FLUSS R，MEYER M，PAMUDURTI N R，et al. circRNA biogenesis competes with pre-mRNA splicing[J].2014，Molecular Cell，56（1）：55-66.

[27] SUN J，XIE M，HUANG Z，et al. Integrated analysis of non-coding RNA and mRNA expression profiles of 2 pig breeds differing in muscle traits[J].Journal of Animal Science，2017， 95（3）：1092-1103.

[28] LIANG G，YANG Y，NIU G，et al. Genome-wide profiling of Sus scrofa circular RNAs across nine organs and three developmental stages[J].Dna Research，2017，24（1）：1-13.endprint