環(huán)狀RNA與糖尿病及其并發(fā)癥

方迎昕 周一軍

中國醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科，沈陽 110032

全球2015年的糖尿病患者約為4.15億，其中46.5%的成年糖尿病患者未能被及時診斷，自然也無法獲得良好的干預(yù)和治療[1]。因此，尋找及早診斷和干預(yù)糖尿病的方法顯得尤為重要?，F(xiàn)有的胰島素抵抗、β細(xì)胞功能、胰島素敏感性、空腹血糖以及基因多態(tài)性等指標(biāo)對于糖尿病的早期診斷雖有一定價值，但仍存在一定缺陷[2-3]。探尋新的高敏感性、高特異性的分子靶點對糖尿病早期診斷和治療意義重大。隨著高通量測序的發(fā)展，已發(fā)現(xiàn)大量非編碼RNA在人體中執(zhí)行多種生物學(xué)功能，參與了腫瘤等多種疾病的發(fā)生、發(fā)展過程[4]。環(huán)狀RNA(circRNAs)是一類新的單鏈閉合環(huán)狀、通過共價鍵形成的、不具有5′末端帽子以及3′poly-A尾的非編碼RNA。與普通線性RNA不同，它們的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使其不易被核酸外切酶降解，能穩(wěn)定存在于真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中，且具有高度保守性和組織、時序、疾病特異性，從而有望成為潛在的疾病診斷標(biāo)志物和治療靶點[5]。最新的一些研究證明，circRNAs與糖尿病有關(guān)，本文將對circRNAs的生物起源及調(diào)控機制以及與糖尿病及其并發(fā)癥的關(guān)系作一簡要綜述。

1 circRNAs的生物起源及調(diào)控機制

以往人們認(rèn)為，circRNAs由外顯子首尾相連形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是基因可變剪接的產(chǎn)物,命名為外顯子circRNAs。最近，高純度提取circRNAs的新方法使大量內(nèi)含子來源的 circRNAs被鑒定，即內(nèi)含子circRNAs(circular intronic RNAs, ciRNAs)[6]。此外,由前體tRNA經(jīng)過剪接產(chǎn)生的tRNA內(nèi)含子circRNAs以及由外顯子和內(nèi)含子共同構(gòu)成的環(huán)狀RNA (Exon-intron circular RNAs,EIciRNAs)也陸續(xù)被研究者發(fā)現(xiàn)[7-8]。

circRNA的生成調(diào)控機制大致可分為3種。首先，伴隨反向剪切過程的RNA聚合酶Ⅱ(RNA pol Ⅱ)的轉(zhuǎn)錄。一方面，反向剪切的環(huán)化過程與RNA Pol Ⅱ延伸率有關(guān)[9]。另一方面，研究者通過影響分裂和聚腺苷酸化過程而抑制RNA pol Ⅱ的終止，circRNAs的表達(dá)上調(diào)[10]。其次，順式和反式的調(diào)節(jié)因素可以影響反向剪切的效率，其中包括外顯子側(cè)翼的內(nèi)含子互補序列，核心的剪接體元件以及其他有調(diào)控作用的RNA結(jié)合蛋白。最后，circRNAs的更新如新生circRNAs的水平和降解過程影響其表達(dá)[9]。

2 circRNAs的功能

2.1 作為miRNA的分子海綿 circRNAs可作為一種競爭性內(nèi)源性RNA，通過微小RNA(miRNA)應(yīng)答元件，競爭性地結(jié)合miRNA，抑制miRNA對靶基因的功能[11]。

2.2 細(xì)胞核circRNAs調(diào)控轉(zhuǎn)錄和剪切 細(xì)胞核中的circRNAs，即ciRNAs和EIciRNAs可以調(diào)控基因的表達(dá)。EIciRNAs可以與U1小核糖核蛋白結(jié)合，通過RNA-RNA相互作用順式地影響其親本基因的Pol Ⅱ轉(zhuǎn)錄[12]。

2.3 circRNAs可翻譯成蛋白質(zhì) 大部分已被鑒定的circRNAs位于細(xì)胞質(zhì)，且缺少線性RNA翻譯時需要的5′端7-甲基鳥苷帽和3′端的腺苷尾結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)circRNAs充當(dāng)內(nèi)部核糖體啟動位點(internal ribosome entry sites, IRESs)，促使啟動子或核糖體與circRNAs的結(jié)合時，可翻譯成蛋白質(zhì)[13]。

2.4 形成RNA蛋白復(fù)合體 circRNAs可與不同的蛋白質(zhì)結(jié)合，形成RNA蛋白復(fù)合物,從而調(diào)控相關(guān)蛋白行使功能。例如，circ-Foxo3與抗衰老蛋白ID-1和轉(zhuǎn)錄因子E2F1結(jié)合，發(fā)揮對心肌組織的保護(hù)作用[14]。

3 circRNAs與糖尿病及其并發(fā)癥

3.1 circRNAs與糖尿病

3.1.1 糖尿病的circRNAs表達(dá)特征研究 Zhao等[15]用基因芯片對2型糖尿病患者的外周血樣本進(jìn)行檢測，與健康對照組相比，發(fā)現(xiàn)489個circRNAs差異性表達(dá)，其中 78 個上調(diào)，411個下調(diào)，并認(rèn)為hsa_circ_0054633可以作為糖尿病前期或2型糖尿病的診斷標(biāo)志物。Shang等[16]對高糖處理的人內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行RNA測序分析，發(fā)現(xiàn)了95個差異表達(dá)的circRNAs。Yan等[17]用測序技術(shù)檢測妊娠期糖尿病患者的胎盤絨毛組織，鑒定出227個上調(diào)的circRNAs，255個下調(diào)的circRNAs。

3.1.2 circRNAs與胰島β細(xì)胞 糖尿病患者的β細(xì)胞功能紊亂與miRNA和長鏈非編碼RNA的表達(dá)譜改變有關(guān)，最近的研究證明circRNAs也參與了這個過程。人胰島β細(xì)胞中有數(shù)千個circRNAs，其中497個在鼠胰島中保守存在。在糖尿病db/db小鼠中，circHIPK3和ciRS-7/CDR1表達(dá)低，導(dǎo)致胰島素分泌減少，抑制β細(xì)胞增殖和存活[18]。circHIPK3是胰島表達(dá)最豐富的circRNAs之一，其來源于2型糖尿病患者缺乏的線性基因Hipk3的外顯子。線性基因Hipk3的缺乏將間接造成circHIPK3表達(dá)降低。通過RNA干擾技術(shù)，敲減circHIPK3，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，并抑制催乳素誘導(dǎo)的β細(xì)胞增殖。miRNA-7是人和鼠胰島中含量最高的miRNA，過表達(dá)miRNA-7的轉(zhuǎn)基因小鼠因胰島素分泌受損和β細(xì)胞分化障礙，導(dǎo)致糖尿病。相反，若使肥胖小鼠miRNA-7失活，則有效改善β細(xì)胞功能紊亂和高血糖狀態(tài)。ciRS-7/CDR1作用于miRNA-7及其靶點肌球蛋白VIIA和Rab相互作用蛋白(Myrip)和對盒基因6(Pax6)，通過介導(dǎo)cAMP和蛋白激酶C信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，調(diào)節(jié)胰島素分泌[19]。

3.1.3 circRNAs與炎性反應(yīng) 多項研究證實，抗炎治療可能會糾正2型糖尿病患者的代謝異常。對2型糖尿病患者外周血白細(xì)胞測序鑒定出220個差異表達(dá)的circRNAs。其中circANKRD36顯著上調(diào)，且與血糖和糖化血紅蛋白呈正相關(guān)。對2型糖尿病有預(yù)測作用的白細(xì)胞介素6和腫瘤細(xì)胞壞死因子α顯著高表達(dá)，與circANKRD36呈正相關(guān)。研究者認(rèn)為，circANKRD36通過與hsa-miRNA-3614-3p、 hsa-miRNA-498和hsa-miRNA-501-5p等miRNAs結(jié)合，參與了2型糖尿病的發(fā)生及炎性反應(yīng)相關(guān)的信號通路。circANKRd36與2型糖尿病的慢性炎性反應(yīng)有關(guān)，可作為糖尿病炎性狀態(tài)的標(biāo)志物和治療靶點[20]。

3.2 circRNAs與糖尿病并發(fā)癥

3.2.1 circRNAs與糖尿病視網(wǎng)膜病變 在糖尿病病史超過20年的患者中，80%并發(fā)糖尿病視網(wǎng)膜病變。有研究者用基因芯片分析2型糖尿病視網(wǎng)膜病變患者血清，發(fā)現(xiàn)30個顯著上調(diào)的circRNAs，其中circRNA_406918來源于胰島素樣結(jié)合蛋白，其相關(guān)的基因胰島素樣結(jié)合蛋白2與β細(xì)胞功能紊亂和糖尿病有關(guān)[21]。circ_0005015在糖尿病視網(wǎng)膜病變患者的血液、玻璃體、纖維血管膜均表達(dá)上調(diào)，可作為miRNA-519d-3的分子海綿，促進(jìn)視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和小管形成[22]。另外，糖尿病小鼠視網(wǎng)膜中circHIPK3水平也顯著上調(diào)。沉默circHIPK3，則視網(wǎng)膜血管滲漏及炎性反應(yīng)減輕。進(jìn)一步研究顯示，circHIPK3可與miRNA-30a-3p結(jié)合，抑制其活性，造成視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管功能紊亂[23]。

3.2.2 circRNAs與糖尿病腎病 circRNA_15698在db/db糖尿病腎病小鼠中或小鼠腎小球系膜細(xì)胞中均表達(dá)上調(diào)。功能缺失實驗顯示，敲減circRNA_15698可明顯抑制Ⅰ型膠原、Ⅳ型膠原和纖維連接蛋白的表達(dá)。生物信息分析和熒光素酶報告系統(tǒng)證實，circRNA_15698是miRNA-185的分子海綿, 并對轉(zhuǎn)化生長因子-β1起正向調(diào)節(jié)作用。circRNA_15698/miRNA-185/轉(zhuǎn)化生長因子-β1 通路促使細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)蛋白的合成，初步描述了circRNAs在糖尿病腎病發(fā)病機制中的作用[24]。

3.2.3 circRNAs與糖尿病心血管并發(fā)癥 用基因芯片對2型糖尿病合并冠心病的患者外周血進(jìn)行檢測，研究者鑒定出40個差異表達(dá)的circRNAs，其中13個上調(diào)，27個下調(diào)。糖尿病小鼠db/db鼠心肌組織有43個差異表達(dá)的circRNAs。其中circRNA_010567在糖尿病小鼠心肌組織和血管緊張素Ⅱ處理的心肌成纖維細(xì)胞均顯著上調(diào)。circRNA_010567可以介導(dǎo)miRNA-141、 轉(zhuǎn)化生長因子-β1的表達(dá), 在糖尿病小鼠心肌纖維化過程中起調(diào)控作用[25]。

3.2.4 circRNAs與糖尿病痛性神經(jīng)病變 在糖尿病痛性神經(jīng)病變患者的血清以及鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的背根神經(jīng)節(jié)中，circHIPK3的含量均比較豐富。circHIPK3的上調(diào)與2型糖尿病患者的神經(jīng)痛評分相關(guān)。沉默circHIPK3可減輕糖尿病鼠的神經(jīng)痛及神經(jīng)炎性反應(yīng)。進(jìn)一步的機制研究表明，circHIPK3與miRNA-124結(jié)合，可抑制其表達(dá)。miRNA-124抑制劑可以逆轉(zhuǎn)circHIPK3基因敲除介導(dǎo)的神經(jīng)病理性疼痛的緩解和糖尿病大鼠中神經(jīng)炎性反應(yīng)的抑制。circHIPK3短發(fā)夾RNA 可用于糖尿病鼠神經(jīng)痛的治療[26]。

綜上所述，circRNAs具有復(fù)雜的生物起源和調(diào)控機制，以及分子海綿、調(diào)控轉(zhuǎn)錄等豐富的生物學(xué)功能，是糖尿病發(fā)生、發(fā)展過程中重要的調(diào)控分子。越來越多的circRNAs已被鑒定出來，然而仍有許多問題有待探索。例如，circRNAs的降解途徑、circRNAs的序列和結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能的聯(lián)系等。一方面，circRNAs在糖尿病患者血液、腎臟、視網(wǎng)膜、胎盤中穩(wěn)定存在，且差異性地表達(dá)，樣本易得到，且具有高特異性和敏感性，可以作為糖尿病早期診斷的生物標(biāo)志物。另一方面，具有互補序列和側(cè)翼剪接位點的circRNAs可以被人工合成出來，有望成為糖尿病治療的分子工具?？梢云诖氖?，人工合成或修飾的circRNAs不僅作用于相應(yīng)的miRNAs，也作用于特異的RNA結(jié)合蛋白，人們將通過控制circRNAs，調(diào)控多種后續(xù)的細(xì)胞學(xué)過程和疾病進(jìn)展。雖然目前對circRNA的作用機制、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不十分清楚， 相信隨著研究的進(jìn)一步深入，circRNAs有望成為新興的糖尿病診斷標(biāo)志物和潛在靶點，用于糖尿病及其并發(fā)癥的臨床診斷和治療。