細胞衰老及相關(guān)疾患的circRNA機制及功能

余素素，張文娟

(暨南大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與公共衛(wèi)生學(xué)院，公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)系，廣東 廣州 510632)

人口老齡化是一個正在持續(xù)擴大加深全球化的普遍趨勢.衰老及其相關(guān)疾患，如阿爾茨海默病、慢性獲得性進行性智能障礙綜合征(俗稱“癡呆”)、動脈粥樣硬化和多種腫瘤癌癥等，是全人類亟待解決的健康相關(guān)問題[1].積極應(yīng)對人口老齡化及其相關(guān)疾病問題，也是當前“健康中國2030”規(guī)劃的工作重點之一.衰老是指機體隨年齡增長，呈現(xiàn)出各細胞、組織和系統(tǒng)發(fā)生退行性變化的種種征象.細胞是機體衰老的原始結(jié)構(gòu).長壽基因的發(fā)現(xiàn)[2]、表觀遺傳學(xué)以及表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)[3]等研究領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，使得衰老及相關(guān)疾患研究進入新領(lǐng)域.

1976年首次在植物類病毒和副流感病毒顆粒中發(fā)現(xiàn)circRNA[4]，這種特殊結(jié)構(gòu)的RNA曾被誤認為是錯誤的基因轉(zhuǎn)錄副產(chǎn)物[5]，但隨著高通量測序技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展，circRNA已然成為研究新熱點.circRNA是一類特殊的長鏈非編碼RNA(lncRNA)，cirRNA主要來源于細胞母基因的非編碼區(qū)域，通過反向剪接反應(yīng)，以共價鍵連接形成不具有5′末端“帽子”結(jié)構(gòu)和3′末端poly(A)尾巴的RNA分子結(jié)構(gòu)，這一特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得circRNA不易受到RNaseR外切酶影響，從而有效穩(wěn)定保持其功能[6]；該結(jié)構(gòu)中常富含有多種microRNA(miRNA)結(jié)合位點，具備有吸附miRNA的“海綿體功能”，通過與相應(yīng)RNA結(jié)合蛋白(RNA-binding proteins, RBPs)及核糖核蛋白復(fù)合體(ribonucleoprotein complex, RNP)結(jié)合，起拮抗競爭作用，抑制調(diào)節(jié)基因表達[7]，如圖1所示.

A：miRNA“海綿體”吸附功能；B：結(jié)合RNA結(jié)合蛋白和核糖核蛋白復(fù)合體；C：翻譯蛋白質(zhì)A：The absorption function of ‘miRNA’ sponges；B：binding with RNA binding protein & ribonucleoprotein complex； C：The translation of proteins圖1 circRNA功能示意圖Fig.1 The function of cirRNA

目前已證實circRNA參與調(diào)控細胞基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯和表達，影響細胞周期.circRNA可通過經(jīng)典剪切、反向剪切和選擇性剪切等模式調(diào)控基因的表達，有效擴展基因轉(zhuǎn)錄的多樣性[8].circRNA還可與細胞周期蛋白依賴性激酶2(cyclin-dependent kinases 2，CDK2)和周期蛋白依賴性激酶抑制劑1(cyclin-dependent kinase inhibitor 1，CKI或p21)結(jié)合，可通過哺乳動物叉頭轉(zhuǎn)錄因子(forkhead transcription factor，F(xiàn)OXO)等多種方式來抑制細胞增殖[9].circRNA在機體內(nèi)呈特異性的豐富表達，具有多種生物學(xué)功能，在血液中具有更長的半衰期，比起同源亞型RNA更具穩(wěn)定性和保守性，是組織和體液檢測可靠的生物標志物，可作為多種疾病(心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和腫瘤等)臨床篩檢、診斷和預(yù)后的特異性生物標志物[10].circRNA在真核細胞中廣泛表達，在基因分子水平上發(fā)揮重要的調(diào)控作用，以多種形式參與調(diào)控細胞周期，參與調(diào)控器官系統(tǒng)及機體的衰老進程.

1 circRNA與神經(jīng)細胞衰老

果蠅體內(nèi)的circRNA隨年齡增長而逐漸累積，并在其中樞神經(jīng)系統(tǒng)老化過程中，高度特異性表達，且具有發(fā)育和組織特異性.與同源線性亞型相比，環(huán)狀RNA明顯增多[11]，circRNA在人與果蠅的大腦細胞中均特異性表達，表明circRNA可作為神經(jīng)系統(tǒng)衰老的早期生物標志物，參與調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的衰老，并適用于多個物種.circRNA在衰老細胞與亞細胞間的表達模式尚待進一步研究，但明確的是，circRNA富集于神經(jīng)元細胞間的亞單位結(jié)構(gòu)(軸突、樹突和突觸)，而神經(jīng)系統(tǒng)的衰老通常與海馬體和前額葉皮層中特定的、相對微妙的突觸改變有關(guān)[12].樹鼩神經(jīng)細胞中83.1%的circRNA與人類具有同源性，經(jīng)相互作用調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，circRNA_007362可通過吸附24個miRNA調(diào)控UBE4B的表達，參與誘導(dǎo)神經(jīng)元細胞的凋亡和神經(jīng)系統(tǒng)的衰老[13].神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默病和帕金森癥等，與神經(jīng)細胞衰老密切相關(guān).Aβ1-42寡聚體誘導(dǎo)阿爾茨海默病小鼠研究中，神經(jīng)細胞的mmu_circRNA_017963參與其自噬體組裝、胞吐作用和凋亡過程，進而誘導(dǎo)神經(jīng)細胞衰老[14].散發(fā)的阿爾茨海默病可能與ciRS-7異常表達有關(guān)，其作為一種內(nèi)源性的miRNA海綿，吸附并抑制正常miRNA-7的功能，使調(diào)控miRNA-7-circRNA表達的系統(tǒng)失效，誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)衰老，疾病產(chǎn)生[15].盡管circRNA分子在多個物種的神經(jīng)系統(tǒng)中均有高表達，具有上調(diào)神經(jīng)元分化和高度豐富突觸的功能，但其具體的作用途徑和機制尚不清楚.特異性circRNA表達與神經(jīng)系統(tǒng)有害結(jié)局之間的關(guān)聯(lián)作用，不同circRNA表達之間的聯(lián)合，及特定circRNA功能改變對人類神經(jīng)系統(tǒng)衰老及相關(guān)疾患進程的影響，將使神經(jīng)系統(tǒng)特異性circRNA機制研究更具有潛在的臨床應(yīng)用價值.

2 circRNA與肌肉、纖維細胞衰老

隨年齡增長，心肌細胞和骨骼肌肉細胞衰老加速，細胞內(nèi)基因表達與肌肉細胞年齡相關(guān)性綜合征的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[16].miR-206、miR-29和miR-431等non-coding RNA(ncRNA)參與骨骼肌系統(tǒng)的生理、病理過程[17]，而特定circRNA基因序列的特殊結(jié)合位點與細胞中相應(yīng)的因子結(jié)合，參與調(diào)控肌細胞的生長發(fā)育，或誘導(dǎo)肌細胞發(fā)生病理性改變[18]，如少肌癥等.轉(zhuǎn)錄因子circ-Foxo3產(chǎn)生的circRNA在老年患者和老年小鼠的心臟樣本中均高表達，其變化趨勢與細胞衰老的其他標志物一致.DNA結(jié)合蛋白抑制劑-1(inhibitors of DNA Binding-1，ID-1)，轉(zhuǎn)錄因子E2F-1 (transcription factor, E2F-1)，局部粘著斑激酶(focal adhesion kinase，F(xiàn)AK)和低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor 1，HIF1α)與circ-Foxo3相互作用后滯留在細胞質(zhì)中，使心肌細胞失去抗衰老和抗應(yīng)激功能，加速心肌細胞的衰老進程.circ-Foxo3異位表達同樣可誘導(dǎo)小鼠肌肉細胞衰老.在多種小鼠成纖維細胞中，過氧化氫可誘導(dǎo)circ-Foxo3過表達并促進細胞衰老，相反，沉默circ-Foxo3可抑制細胞衰老.特異性表達的circRNA可作為肌細胞衰老及其相關(guān)疾患的標志物，也對外界因素引起的衰老及病變進行應(yīng)答，例如，阿霉素可誘導(dǎo)circ-Foxo3過表達，促進心肌細胞早衰病變，而沉默circ-Foxo3可緩解阿霉素的作用并抑制肌細胞衰老[9].circRNA-miRNA-mRNA交互網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)circRNA014844、circRNA011308和circRNA018401可通過吸附miR-493-5-p調(diào)節(jié)衰老過程促凝因子FGB的表達，誘導(dǎo)心肌細胞衰老，產(chǎn)生病理改變[16].

circPVT1由PVT1外顯子環(huán)化產(chǎn)生.在電離輻射誘導(dǎo)衰老成纖維細胞中，circPVT1表達豐度降低，結(jié)合衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶活性的升高，CDKN1A/P21和TP53的豐度增加及細胞增殖減少，進一步誘導(dǎo)結(jié)締組織衰老進程.circPVT1選擇性地富集let-7(該基因減少表達促使抑癌基因表達加強)，而降低其表達豐度可選擇性地下調(diào)let-7下游基因，IGF2BP1、KRAS和HMGA2等抗衰老的增殖蛋白的表達，最終促進衰老發(fā)生[19].circRNA_100797作為miR-23a-5p的海綿，兩者在中波紫外線誘導(dǎo)的早衰人成纖維細胞中呈負相關(guān)表達，高表達的circRNA_100797具有光保護作用，延緩細胞衰老[20].circRNA的特異性表達通過多種形式影響細胞的衰老進程，特異性表達的circRNA可作為肌肉、纖維細胞衰老及其相關(guān)疾患的生物標志物.不僅外界環(huán)境因素可調(diào)控特定circRNA的表達，誘導(dǎo)細胞的衰老過程；而且通過調(diào)控circRNA的表達豐度也可調(diào)節(jié)外界刺激誘導(dǎo)的衰老進程.通過上調(diào)或沉默某些特定circRNA實現(xiàn)臨床調(diào)控機體的肌、纖維細胞的衰老及相關(guān)疾病，使circRNA的機制研究更具有實際意義.

3 circRNA與外周血細胞衰老

circRNA在人類外周血循環(huán)中有特異性表達[21].circRNA特異性表達可調(diào)控ATP代謝過程以及突觸信號傳遞，形成相關(guān)基因互作網(wǎng)絡(luò)的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要富集于與吞噬、晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)、癌癥途徑和高爾基體相關(guān)的細胞囊泡中.InCHIANTI人群是居住在意大利托斯卡納基安蒂地區(qū)的代表性老年人口，即對研究對象的年齡、健康情況、父母雙方的死亡年齡、壽命評分限制并隨訪的人群.隨訪隊列第三、四代65歲以上的該人群中，其外周血細胞中circITGAX、circPLEKHM1、circDEF6、circATP6V0A1和circASAP等分子表達豐度低于30～36歲的年輕組，而circ-Foxo3、circFNDC3B、circAFF1、circCDYL和circXPO7則在86～95歲老年組中外周血細胞中表達豐度增高[22].免疫相關(guān)因子可通過外周血循環(huán)到達機體全身發(fā)揮作用，隨著年齡的增長，免疫器官逐漸老化、免疫細胞及免疫因子的機制水平逐漸降低，機體免疫功能下降，許多免疫衰老相關(guān)疾病，如感染性疾病、腫瘤的發(fā)生等，導(dǎo)致群體死亡率增高[23].circ_0132266具有 miR-337-3p“海綿體”吸附功能，通過靶基因circ_0132266-miR-337-3p-PML軸，其上升性表達可顯著促進外周血單核細胞的活性[24].通過基因轉(zhuǎn)導(dǎo)持續(xù)表達的CD28可延緩復(fù)制性衰老的過程，增強端粒酶活性、增加整體增殖潛能、促炎細胞因子分泌減少.circRNA_100783參與T細胞衰老的CD28及CD8(+)相關(guān)蛋白磷酸化的過程，進而促進衰老發(fā)生.因此，circRNA_100783可作為免疫細胞衰老和免疫系統(tǒng)衰老過程新的生物標志物[25]，另外，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者體內(nèi)HSA_CIRCpedia_7637表達下降，推測其可能通過競爭性結(jié)合hsa-miR-638來參與免疫系統(tǒng)疾病的發(fā)生[26].目前尚未闡明不同來源的同型circRNA產(chǎn)生不同作用的內(nèi)在原因和調(diào)控機制，circRNA有望成為外周血細胞以及相關(guān)免疫疾病診斷的生物標志物和相關(guān)藥物治療靶點.

表1 circRNA與機體細胞衰老的功能關(guān)聯(lián)Table 1 The functionality correlation between circRNA and somatic cell senescence

4 circRNA與腫瘤細胞衰老

除了細胞衰老之外，衰老反應(yīng)亦會使細胞突變累積，相互作用，增加患癌風(fēng)險，有些突變更是人類腫瘤惡性轉(zhuǎn)化發(fā)生的必要條件，腫瘤的發(fā)生發(fā)展可能是哺乳動物機體系統(tǒng)逃逸衰老的標志[27].circRNA的異常表達可調(diào)控腫瘤癌癥的發(fā)生發(fā)展，hsa_circ_0055176在口腔鱗癌低表達可增強口腔鱗狀細胞癌細胞的遷移和侵襲能力[28].體內(nèi)、外研究實驗發(fā)現(xiàn)染色體易位編碼的融合蛋白和融合circRNA(fusion circ RNAs, f-circ RNA)與其他致癌物質(zhì)均能提高細胞增殖率，促進細胞轉(zhuǎn)化和腫瘤的發(fā)生，胞內(nèi)的f-circM9表達可使癌細胞逃逸藥物誘導(dǎo)的凋亡[29].腫瘤細胞中circRNA特異性表達與腫瘤細胞衰老進程存在密切相關(guān).如表2所示，腫瘤的發(fā)生發(fā)展常與細胞中某些特定circRNA的特異性表達相互作用，可以啟動腫瘤細胞的衰老發(fā)生與否.circRNA可作為腫瘤的輔助臨床診斷標志物，而能否通過調(diào)控circRNA的表達控制腫瘤細胞的周期，仍需進一步的研究.

表2 circRNA與腫瘤細胞衰老的關(guān)聯(lián)Table 2 The correlation between circRNA tumor cell senescence

5 展望

circRNA的生物產(chǎn)生、結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)認識，其特異性表達與機體生理病理過程聯(lián)系的探究逐步加深.衰老相關(guān)的circRNA變化特征不僅反映細胞漸行性退化，也反映出細胞內(nèi)分子適應(yīng)衰老的反應(yīng).circRNA的特異性表達與細胞衰老及其相關(guān)疾病密切相關(guān)，外源環(huán)境因素，如藥物、射線、氧化物等刺激也可影響細胞內(nèi)相關(guān)通路，進而調(diào)控細胞衰老進程[14, 20, 28].因此，特定時間和環(huán)境刺激作用下，引起的細胞內(nèi)關(guān)鍵分子特定circRNA的表達上調(diào)或沉默，可作為衰老及相關(guān)疾患的早期生物學(xué)標志，在臨床診斷中，circRNA可與常規(guī)癌癥標志物癌胚抗原(carcinoembryonic antigen，CEA)、CA 125、CA 153、前列腺特異抗原(prostate specific antigen，PSA)和甲胎蛋白(alpha fetoprotein，AFP)結(jié)合應(yīng)用.另外，通過其特異性表達也能從分子水平上盡早發(fā)現(xiàn)疾病，在未出現(xiàn)臨床癥狀時預(yù)測衰老相關(guān)疾病的發(fā)生，判斷疾病的發(fā)生階段，某些circRNA還可作為疾病預(yù)后評價標志物[40].為其預(yù)防、篩檢、診斷和治療提供新的思路，也為響應(yīng)“健康中國2030”規(guī)劃綱要及健康中國的全周期生命健康行動提供科學(xué)理論基礎(chǔ).目前，對circRNA與衰老及相關(guān)疾患的實驗研究仍較少，相關(guān)綜述研究認為較其他RNA轉(zhuǎn)錄物，circRNA與衰老間有更強的相關(guān)性[41]，在不同物種衰老過程中均存在circRNA特異性表達，因此，circRNA可能是衰老和年齡相關(guān)疾患的潛在的致病因素，而高穩(wěn)定性可能是其隨增齡高表達現(xiàn)象[42].

總之，細胞衰老是一個多因素影響的過程，circRNA通過其特殊結(jié)構(gòu)與調(diào)控RNA和蛋白質(zhì)結(jié)合，發(fā)揮相應(yīng)生物學(xué)作用，可影響衰老的進程.隨著相關(guān)研究的進行，對circRNA產(chǎn)生和基因調(diào)控機制的總結(jié)，闡述其作為新的疾病診斷和預(yù)后標志物的可能，為衰老及相關(guān)疾患的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)增添新的研究思路[10, 41-42].隨著高通量分子測序技術(shù)的發(fā)展為相關(guān)疾病標志檢測提供技術(shù)可能，本研究闡述了在不同組織細胞中，特異性circRNA表達在衰老及相關(guān)疾患發(fā)生發(fā)展中的內(nèi)在調(diào)控機制，多種circRNA及其他因子的協(xié)同作用，內(nèi)源性和外源性的同型circRNA表達的效應(yīng)差異，這些將為衰老及其相關(guān)疾患的病因診斷和分子機制提供新的研究方向，但circRNA作為衰老及相關(guān)疾患的標志物臨床應(yīng)用的可靠性和靈敏性仍需要進一步的深入研究.