CircRNA:胃癌診斷和治療的新視角

高慧芹 李露喃 張晨靜 屠江鋒 耿曉歌 潘文勝*

作者單位:233030 蚌埠醫(yī)學院(高慧芹)

310014 浙江省人民醫(yī)院(李露喃 張晨靜 屠江鋒耿曉歌 潘文勝)

胃癌是全球最常見的惡性腫瘤之一,其發(fā)病率在所有癌癥中占第四位[1].胃癌是全球癌癥死亡的第二大原因.胃癌發(fā)病常在特定的區(qū)域,被診斷為胃癌的患者中超過一半來自東亞,如日本和中國[2].胃鏡檢查及病理診斷是胃癌診斷的金標準.然而,其是一種微創(chuàng)技術,其結果依賴于內鏡醫(yī)師的技能和經驗.基于血液的生物標志物是非侵入性的,可以提供關于胃癌狀態(tài)的信息.但是,目前的血清腫瘤標記物,如癌胚抗原(CEA)、糖類抗原72-4(CA724),在胃癌的診斷陽性率較低.晚期胃癌患者的預后較差,其5年總生存(OS)率不到30%.而對于早期診治的胃癌患者,90%可以通過切除治愈[3].近年來由于根除幽門螺桿菌知識的提高及隨著診斷方法和治療方法的發(fā)展,胃癌的發(fā)病率和死亡率持續(xù)下降,但早期胃癌仍然難以診斷[1],其仍然嚴重威脅著人類健康.因此,有必要尋找新的無創(chuàng)性生物標志物用于胃癌的診斷和監(jiān)測.

"circRNA"是在1976年首次被提出的概念,Sanger等研究類病毒中發(fā)現單鏈共價閉合環(huán)狀RNA分子(circRNA)可引起某些高等植物致病[4].在20世紀70年代,研究者們曾一度認為circRNA是由于拼接錯誤產生的[5-6].近年來,隨著技術的迅速發(fā)展和RNA測序的廣泛應用,對circRNA產生了新的認識.環(huán)狀RNA(circRNA)是一類特殊的非編碼RNA分子,也是RNA領域最新的研究熱點.與傳統的線性RNA不同,circRNA分子是通過反向剪接形成的閉合環(huán)狀RNA分子,不受RNA外切酶影響,表達更豐富,具有高度穩(wěn)定性、生物進化保守性和組織表達特異性.數百條circRNA已經被研究認為與腫瘤關系密切,包括肝、肺、大腸、乳腺、前列腺、膀胱、腎臟、胃腫瘤以及中樞神經系統惡性腫瘤和惡性血液病等.circRNA作為癌癥的生物標志物具有較大的潛力.另外,circRNA可在體液中被檢測到,如血液、唾液等,表明其可用來作為非侵入性的生物標志物.重要的是,circRNA參與了癌癥的發(fā)生發(fā)展,一些circRNA已表現出明顯的抗癌作用.本綜述就circRNA的生物學功能及其在胃癌中的作用進行探討.

1 circRNA的功能

CircRNA有許多潛在的功能,如作為MmicroRNA(miRNA)海綿,結合到RNA結合蛋白形成RNA蛋白質復合物,然后調節(jié)基因轉錄,也可以進行蛋白質翻譯等.

1.1 circRNA作為miRNA"海綿"或競爭性內源性RNA miRNA是一類非編碼的小RNA,可抑制mRNA翻譯所涉及的一系列生物過程.其通過堿基互補直接靶向mRNA.由于"海綿"的結合位點在miRNA上的區(qū)域是特異的,這些RNA可以"海綿"某個miRNA的整個家族,因此circRNA可作為競爭性內源RNA(ceRNA),能競爭性結合miRNA,從而調控miRNA靶基因的表達.

2013年,有兩項研究為這一想法提供了強有力的證據.cirs-7(circRNA海綿miR-7)也被稱為反義轉錄相關蛋白1小腦變性(cdr1as),其在人類和小鼠的大腦高表達,過表達的cirs-7通過抑制miR-7活性增加miR-7作用靶點的水平[7-8].除了cirs-7,還有睪丸特異性Y染色體上的性別決定區(qū)(circ-Sry),其作為miR-138的"海綿",可上調表達miR-138靶基因[7].因此可通過預測miRNA結合位點進而預測circRNA的非編碼功能.

1.2 circRNA調控可變剪切或轉錄過程 環(huán)狀RNA一般由剪接體產生,因此,circRNA的產生可能調節(jié)線性剪接.線性剪接和circRNA的產生通過彼此競爭的剪接位點相互調節(jié).例如,circMbl是由剪切因子MBL的第二個外顯子環(huán)化而來,競爭mRNA的線性剪切.CircMbl的側翼外顯子和自身序列包含MBL特異性結合的位點.MBL的表達水平受到circMbl的調控影響.研究表明,MBL可通過調整circRNA的形成和線性剪接之間的平衡來影響可變剪接過程,當蛋白質過量時,其通過促進circMbl產生降低自身mRNA的產生.這個circRNA可以通過結合進而對多余的MBL蛋白發(fā)揮"海綿作用"[8].另外,circRNA也可以發(fā)揮轉錄調控作用.一些circRNA可定位它們的轉錄位點,通過未知的機制與RNA聚合酶II復合物結合影響轉錄.例如,研究發(fā)現,內含子和外顯子共同形成的circRNA(exonic-intronic circRNA,EIciRNA),如circEIF3J和circPAIP2,可通過與RNA聚合酶II相互作用調節(jié)親本基因轉錄[9].

1.3 circRNA可翻譯成蛋白質 circRNA可以直接翻譯成蛋白質.1995年,Chen等[10]發(fā)現在一個特定的circRNA起始密碼子ATG上游插入一個內部核糖體進入位點(IRES)可以翻譯蛋白質.此前已發(fā)現一個天然的circRNA可翻譯蛋白-HDV,其是乙肝病毒HBV的一個亞型.2017年,Maolei Zhang等[11]研究發(fā)現circ-SHPRH編碼一種新型蛋白質,其翻譯成146個氨基酸的蛋白質,稱之為"SHPRH-146aa",并能抑制膠質瘤的發(fā)生.

1.4 與RNA結合蛋白相互作用 circRNA可通過與蛋白形成復合體發(fā)揮其生物學功能.例如,Foxo3是一個參與癌癥發(fā)展過程的基因,通過增強Akt的活性或者抑制PTEN的活性而抑制腫瘤發(fā)展,circ-foxo3來源于Foxo3基因,其通過橋接細胞周期蛋白依賴性激酶2(CDK2)和p21阻滯細胞從G1期過渡至S期.circ-Foxo3、CDK2、p21形成的三元復合體彼此依賴,可防止CDK2和p21被降解[12].

1.5 抑制核糖體RNA的成熟 對circANRIL的研究發(fā)現circRNA的另一個功能是抑制核糖體RNA的成熟[13].通過蛋白質組學分析,circANRIL可與核糖體生成有關的pescadillo斑馬魚同源1(PES1)蛋白結合.circANRIL是通過與rRNA前體分子競爭結合PES1影響核糖體成熟進程.這些研究擴展了我們對circRNA基礎分子功能的知識.

2 circRNA在胃癌中的生物學作用

circRNA在人類細胞中廣泛表達,與它們的線性異構體相比其表達水平高達10倍以上[14].與其他非編碼RNA相比,如miRNA和長鏈非編碼RNA(lncRNA),circRNA的兩個最重要的性質是高度保守的序列和在哺乳動物細胞中高度的穩(wěn)定性[15],這些特性使其成為診斷癌癥的潛在生物標志物.miRNA是人類癌癥發(fā)病機制中的重要成員,而circRNA作為microRNA"海綿"可調節(jié)miRNA的活性.因此,circRNA可在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中起中介作用.例如,Li等[16]發(fā)現hsa_circ_002059在胃癌組織中顯著下調,其表達水平與胃癌遠處轉移及TNM分期有關.尤其術后胃癌患者血漿樣本中的hsa-circ-002059表達水平明顯高于術前.hsa_circ_002059穩(wěn)定存在胃癌患者血漿中,支持其作為一個潛在的生物標志物.另外Jie Chen等[17]發(fā)現circpvt1在胃癌組織表達上調,其競爭性結合了miR-125家族的分子,導致胃癌細胞增殖能力提高.這些研究結果表明circRNA表達異常可以作為無創(chuàng)性胃癌診斷和預后評估的生物標志物.

2.1 circRNA可作為診斷胃癌的標志物 眾所周知,如果癌癥在早期階段被確診,大多數類型的癌癥是可以治愈的.然而,常用的診斷癌癥的標志物和工具具有侵入性且昂貴,如磁共振成像、計算機斷層掃描和組織病理學等.因此,臨床上迫切需要一種無創(chuàng)、可以早期發(fā)現疾病變化的診斷方法.通過近年的研究發(fā)現環(huán)狀circRNA是非常穩(wěn)定的分子,相比較于線性mRNA、miRNA及其他類型的RNA,在全血、血漿、血小板中更豐富.血液中的circRNA大多數是完整的circRNA,但mRNA和rRNA 是碎片.鑒于其穩(wěn)定性和細胞特異性,即使被少量釋放入血液中,也是可檢測的.腫瘤標志物及其聯合檢測是胃癌篩查的有效方法.在臨床胃癌篩查中CEA、糖類抗原19-9(CA19-9)、糖類抗原72-4(CA72-4)是最常用的生物標志物.然而,在胃癌診斷中CEA、CA19-9 及CA72-4的敏感性只有20.1%~27.6%,而聯合檢測時也只增加到48.2%[18].Shao等[19]研究發(fā)現hsa_circ_0001895的敏感性和特異性分別為67.8%和85.7%,優(yōu)于常用的胃癌生物標記物.Handong Suna等[20]發(fā)現hsa_circ_0000520在組織中的敏感性和特異性分別為53.57%和85.71%,在血漿中的敏感性和特異性分別為82.35%和84.44%.circRNAs在胃癌中的高度失調及其表現出的高度組織特異性,并且特定的環(huán)狀RNA在轉化或在特定的癌癥早期階段具有差異表達,使其成為診斷胃癌的一個理想標志物.

單核苷酸多態(tài)性(SNP)是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性.其是人類可遺傳的變異中最常見的一種.SNP可以作為預測癌癥個體風險的生物標志物.對于SNP是否存在于circRNA上和其是如何參與癌癥的,以及circRNA上SNP的臨床意義值得研究.

2.2 circRNA可作為評估胃癌預后的指標 現有的抗癌藥物不能完全根除癌細胞,大多數類型的癌癥經過一段時間會復發(fā).因此,預后評價對預后不良因素的早期干預和癌癥患者的預期壽命的延長具有重要意義.近年來,大量的研究表明,circRNA可能對于癌癥的預后預測是有用的.例如,circpvt1在胃癌組織中的表達升高,其可以作為胃癌患者總生存期與無病生存期的獨立預后指標,進一步的研究顯示,circPVT1高表達而PVT1低表達的患者生存期明顯高于circPVT1低表達而PVT1高表達的患者,因此circPVT1結合PVT1的表達量是更好的預后指標[17].以往的研究表明,LAST1的缺失與預后不良和復發(fā)有關,并且促進胃癌細胞生長和轉移[21].Jing等[22]研究發(fā)現,miR-424在胃癌組織中表達上調,與LAST1表達呈負相關,而在胃癌組織中的circlarp4通過海綿miR-424和上調LAST1基因抑制細胞增殖和侵襲.circlarp4可以通過miR-424/LATS1/YAP通路的調控抑制胃癌.因此,circlarp4可作為一種腫瘤抑制因子及胃癌患者生存期的獨立預后因素.circRNA可作為預測胃癌復發(fā)的潛在指標,可以幫助臨床醫(yī)生更好地管理疾病的復發(fā).

3 circRNA潛在的抗癌作用

越來越多的證據顯示各種新穎的circRNA和信號通路與癌癥的發(fā)生或與癌細胞的侵襲之間的關系,其都是公認的產生新藥物的治療靶點.使用基因敲除、反義寡核苷酸和miRNA"海綿"是導致miRNA功能喪失的三種經典方法.基因敲除動物模型的構建是耗時、昂貴和困難的,化學修飾的反義寡核苷酸在短期實驗中是有用的,但不能長期地實現對miRNA的抑制.miRNA"海綿"技術可能是一項新技術和基因敲除技術的替代品.因為某些circRNA有特異的miRNA結合位點,其比典型的miRNA抑制劑更有效.隨著天然發(fā)現的circRNA對miRNA管理,circRNA可能被證明是非常適合攜帶誘餌型miRNA抑制劑,并認為作為第二代miRNA抑制劑.circRNA"海綿"可能是最好的在細胞內抑制miRNA活性,這些"海綿"可用于靶向癌基因和逆轉人類癌細胞的惡性表型.例如,使用T4噬菌體基因TD自我剪接,Liu等[23]構建了一個circRNA"海綿"靶向miR-21、miR-221并用其來治療惡性黑色素瘤,結果表明,circRNA"海綿"比線性RNA有更強效的抗癌作用.也可通過外源性的引入siRNA去沉默circRNA進而治療癌癥.近年來,無論體內還是體外研究,siRNA沉默circRNA已被有效地應用.circRNA作為microRNA"海綿",重新引入circRNA可以恢復對腫瘤細胞增殖的控制和誘導細胞凋亡.circRNA對蛋白質和miRNA的"海綿"作用和其獨特的細胞穩(wěn)定性能使其成為一個良好的治療載體.可以通過外源性的導入具有多個致癌蛋白和/或miRNA結合位點的circRNA停止致癌作用[24].

4 挑戰(zhàn)與未來展望

在過去幾年里關于特定的circRNA與胃癌關系的文章明顯增加,然而,circRNA對胃癌發(fā)生和進展的確切貢獻仍不清楚.在這樣的背景下,該領域目前面臨的挑戰(zhàn)是:(1)揭示具體的circRNA作為促癌或抑癌劑的機制.但這是不容易的,因為circRNA不存在一個共同的機制,其有不同的作用分子模式.(2)目前的方法去檢測和鑒定circRNA仍然有限和具有挑戰(zhàn)性.(3)此外,為了測試特定的假設,該領域需要開發(fā)能夠操縱體內circRNA動態(tài)的工具.(4)circRNA對胃癌潛在的診斷、治療和預后的價值需要進一步探索,因為大多數的研究缺乏有形證據和合理配套的臨床應用.circRNA作為腫瘤標記物可以作為胃癌的早期篩查,顯著增加患者的生存機會.在未來,通過進一步研究circRNA的功能,可以提高對相關的circRNA疾病機制的理解及相關疾病的診斷和預防.circRNA作為一種新型的調節(jié)分子已為胃癌的診斷、治療和預后提供了新的視角.