環(huán)狀RNA及其生物學(xué)功能概述

靳 偉 張瑞芝 常翠芳

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007)

在真核生物細胞中，編碼蛋白質(zhì)的RNA (mRNA)只占基因組的2%左右，其余的為非編碼RNA (non-coding RNAs，ncRNA)。研究表明，ncRNA也參與調(diào)控機體生理過程中各種基因的表達，具有重要的生物學(xué)功能[1]。目前對包括微小RNA (microRNA，miRNA)和長鏈非編碼RNA (long non-coding RNA，lncRNA)在內(nèi)的ncRNA的研究大部分集中于生理過程和常見疾病的分子機制。近年來，隨著RNA測序(RNA sequencing，RNA-seq)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一類廣泛存在于多種生物細胞、能調(diào)控基因表達的內(nèi)源性非編碼環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA)逐漸受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為ncRNA研究的熱點[2]。

1 circRNA簡介

1.1 circRNA的發(fā)現(xiàn) 1976年，Kolakofsky等和Sanger等用電鏡等技術(shù)在感染植物的類病毒(viroids)及副流感病毒(sendai virus)顆粒中首次觀察到circRNA。之后，研究人員又在動物細胞和酵母中發(fā)現(xiàn)了circRNA，但鑒于當(dāng)時生物技術(shù)的局限性和circRNA分子結(jié)構(gòu)的特殊性，circRNA被認為是錯誤剪接或剪接過程中形成的副產(chǎn)物。直到2012年，Salzman等對circRNA進行了比較全面和系統(tǒng)的研究后，才開始重新認識并深入研究circRNA。近年來，隨著新一代高通量測序技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的不斷進步，陸續(xù)在人、小鼠、大鼠、斑馬魚、果蠅、線蟲、原生生物(瘧原蟲等)、植物(擬南芥等)和真菌(釀酒酵母等)等發(fā)現(xiàn)了大量保守而穩(wěn)定的circRNA[3]。

1.2 circRNA的主要特征 circRNA有著特殊的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生方式，主要特征包括： ①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則存在于核內(nèi)，具有一定的組織、時序和疾病特異性；②廣泛存在于真核細胞中，部分基因的circRNA表達水平甚至比mRNA高10倍以上；③與傳統(tǒng)的線性RNA (linear RNA)不同，circRNA分子呈封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不具有5′末端帽子和3′末端poly(A)尾巴，比線性RNA更穩(wěn)定，不易被核酸外切酶(RNase R)降解，其半衰期可超過48h，而mRNA平均只有10h[4]。

1.3 circRNA的類別 理論上，circRNA可以產(chǎn)生于基因組的任何區(qū)域。一個circRNA通常由1～5個外顯子和/或1～2個內(nèi)含子組成，可能同時含有編碼區(qū)或非編碼區(qū)成分。根據(jù)組成不同可以將circRNA分為內(nèi)含子環(huán)狀RNA (intronic circRNA)、外顯子環(huán)狀RNA (exon circRNA)、外顯子—內(nèi)含子環(huán)狀RNA (exon-intron circRNA)和基因間區(qū)環(huán)狀RNA (intergenic circRNA)4個類別[5]。

2 circRNA的形成機制

隨著研究的深入，circRNA形成的機制逐步被揭示，產(chǎn)生了很多推測和假說。circRNA產(chǎn)生方式包括外顯子環(huán)化和內(nèi)含子環(huán)化。

2.1 外顯子環(huán)化機制 真核細胞中的外顯子環(huán)狀RNA形成與反向剪接(back-splicing)密切相關(guān)。經(jīng)典剪接是通過剪接體去除mRNA前體內(nèi)的內(nèi)含子，然后將外顯子進行拼接，形成有功能的線性mRNA。而反向剪接是將下游的5′剪接位點與上游的3′剪接位點通過共價鍵連接形成外顯子環(huán)狀RNA。雖然其具體的反向剪接環(huán)化機制尚未完全闡明，但目前提出了兩種公認的模型進行解釋： ①直接反向剪接。這種形成方式主要是5′內(nèi)含子的一個分支點結(jié)合3′內(nèi)含子的剪接供體，接著3′剪接供體通過結(jié)合5′剪接受體完成反向剪接，形成circRNA；②外顯子跳讀。這種方式主要是一個外顯子跳讀導(dǎo)致了包含一個外顯子的套索的形成，然后套索自身剪接，通過移除內(nèi)含子序列產(chǎn)生circRNA[6]。

2.2 內(nèi)含子環(huán)化機制 Zhang等提出了內(nèi)含子自身環(huán)化產(chǎn)生環(huán)狀RNA模型，即內(nèi)含子也可以獨立形成circRNA。Abdelmohsen等提出RNA結(jié)合蛋白(RNA binding protein，RBP)相互作用可以在側(cè)翼內(nèi)含子之間形成RBP橋，使得剪接供體和剪接受體接近，形成circRNA。在某些古生菌中，circRNA來自于rRNA加工過程中的中間體或者tRNA內(nèi)含子剪接產(chǎn)物[7]。

3 circRNA的生物學(xué)功能

近年來，circRNA在生物體中的功能不斷被發(fā)現(xiàn)和證實，包括吸收miRNA的海綿作用、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和剪接、與RBP相互作用、參與假基因形成等。以下分別對含有內(nèi)含子序列和含有外顯子序列的circRNA的生物學(xué)功能進行敘述：

3.1 含有內(nèi)含子序列的circRNA 這種circRNA主要分布在細胞核，可以與RBP結(jié)合影響親本基因表達。同時，在環(huán)狀RNA的形成過程中，內(nèi)含子間競爭性互補配對可以與線性RNA分子之間形成平衡，能影響mRNA的表達，甚至蛋白質(zhì)的翻譯[8]。

3.2 含有外顯子序列的circRNA 主要發(fā)揮吸收miRNA的海綿功能[9]。例如，Hansen等研究發(fā)現(xiàn)，小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物(antisense to the cerebellar degeration-related protein 1 transcript，CDR1as)環(huán)化形成circRNA，其序列包含73個miR-7的結(jié)合位點(seed binding sites)，CDR1as通過結(jié)合位點與miR-7相互作用，調(diào)節(jié)miR-7靶標(biāo)的表達水平。后來的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)circRNA并不像CDR1as那樣在序列上存在多個相同的某種miRNA結(jié)合位點，而是具有不同種類的miRNA結(jié)合位點，circRNA發(fā)揮海綿作用時，既可以與一種miRNA相互作用，也可以與多種miRNA相互作用。例如，Yang等研究證明，叉頭框O3環(huán)狀RNA(circular forkhead box O3，circ-FOXO3)可吸附8種不同miRNA，調(diào)節(jié)叉頭框O3(forkhead box O3，F(xiàn)OXO3)基因的活性，從而抑制腫瘤生長和血管生成[10]。

4 circRNA與疾病的關(guān)系

circRNA結(jié)構(gòu)和功能研究發(fā)現(xiàn)，在某些疾病的發(fā)生發(fā)展過程中cincRNA起著重要的調(diào)控作用。目前有關(guān)circRNA與疾病關(guān)系的研究主要集中在circRNA與癌癥之間有何關(guān)聯(lián)方面，但也有相關(guān)文章報道circRNA與心血管疾病、糖尿病、朊病毒病、病毒性肝炎、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及骨關(guān)節(jié)炎等密切相關(guān)[11]。最新研究顯示，circRNA與一些常見癌癥如胃癌、肝癌、結(jié)腸癌、食管癌、卵巢癌、腦膠質(zhì)瘤、非小細胞肺癌、乳頭狀甲狀腺癌、急性髓系白血病、乳腺癌和食道癌等的形成有關(guān)，且與癌旁非腫瘤組織相比，circRNA在癌癥組織中表達異常[12]。這些異常表達的circRNA能通過干擾miRNA或參與其他生物學(xué)過程來影響癌癥的發(fā)生。例如，Li等研究發(fā)現(xiàn)，hsa_circ_002059作為一種典型的環(huán)狀RNA，其在胃癌組織中的表達水平低于癌旁非腫瘤組織，這種過低表達與胃癌轉(zhuǎn)移、腫瘤發(fā)展程度以及性別與年齡密切相關(guān)；Yu等發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)典miRNA“海綿”CDR1as在肝癌中高表達，并通過抑制其靶標(biāo)miRNA-7促進癌癥進展；Hansen等已經(jīng)證實CDR1as在小鼠腦組織中共表達時可影響中腦的發(fā)育[13]；Ghosal等預(yù)測CDR1as也可能與帕金森病有關(guān)： 高表達的miRNA-7在神經(jīng)元細胞中破壞可生成多巴胺的細胞結(jié)構(gòu)，可導(dǎo)致帕金森病的發(fā)生；Xu等發(fā)現(xiàn)，CDR1as與miRNA-7結(jié)合后，可抑制miRNA-7的表達，導(dǎo)致胰島素分泌明顯增加，有利于糖尿病治療[14]；Li等發(fā)現(xiàn)，外泌體中含有豐富且性質(zhì)穩(wěn)定的circRNA (exosome circRNA，exo-circRNA)，癌癥患者和健康人血清中多種exo-circRNA的表達量具有明顯差異，可據(jù)此將患者和正常人區(qū)分開[15]。

5 結(jié)語

近年來隨著生物測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的circRNA逐漸被發(fā)現(xiàn)，同時有關(guān)circRNA的起源、特征、作用以及其與疾病的關(guān)系方面的報道也越來越多，但是目前大部分相關(guān)研究還處于探索階段[16]。circRNA研究成為了ncRNA調(diào)控疾病和生理過程研究的熱點，以circRNA為基礎(chǔ)的診斷和疾病治療研究也必將成越來越多地受到學(xué)界的關(guān)注。