環(huán)狀RNA與腦血管疾病關(guān)系的研究進展

付雪雯 綜述 余素，周敬華 審校

三峽大學第一臨床醫(yī)學院 宜昌市中心人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，湖北 宜昌 443003

環(huán)狀 RNA(circularRNAs，circRNAs)作為非編碼RNA，由于其含量豐富、穩(wěn)定性高、組織特異性強，近年來已成為研究熱點。作為競爭性內(nèi)源RNA，circRNAs在細胞基因表達中起著miRNA“分子海綿”的重要作用，其中大多數(shù)在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平上對基因表達起調(diào)節(jié)作用，少數(shù)可編碼為多肽。circRNAs與miRNA的結(jié)合能力在競爭性內(nèi)源RNA中最強，被稱為“超級海綿”，其重要功能已在各種疾病的研究中被證實，包括腫瘤、心臟病、糖尿病、關(guān)節(jié)炎和阿爾茨海默病等。目前的研究表明，circRNAs在血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、炎性氧化應(yīng)激、缺血再灌注和低密度脂蛋白代謝中起著重要的調(diào)控作用，這有助于揭示它在腦血管疾病發(fā)病機制中的作用。因此，circRNAs有望成為腦血管疾病領(lǐng)域的潛在標志物和藥物靶點，為腦血管疾病的發(fā)生、發(fā)展、診斷、治療和康復提供新的思路。為了研究circRNAs在腦血管疾病機制中的作用，本文予以綜述如下：

1 circRNA的識別

40余年前，有學者通過電子顯微鏡觀察到真核細胞的細胞質(zhì)中存在環(huán)形的RNA[1]。然而，當時科學界只認為circRNAs是一類由于外顯子在轉(zhuǎn)錄過程中錯誤剪接而形成的異常產(chǎn)物[2]，因此很少有人對其進行研究。隨著轉(zhuǎn)錄測序技術(shù)(RNA-seq)和生物信息學的發(fā)展，許多之前認為“垃圾”RNA被證實具有重要的生物學功能[3]，如長鏈非編碼RNA、miRNA和細胞內(nèi)小核RNA(snRNA)。

2013年一篇研究論文指出，在人類成纖維細胞中存在多達25 000個circRNA，并參考人類白細胞數(shù)據(jù)庫，通過RNA序列數(shù)據(jù)鑒定了1 950個人體circRNAs，使circRNAs成為繼miRNA和長鏈非編碼RNA之后RNA研究領(lǐng)域的新熱點[4]。由此可見，circRNAs并不像以前想象的那樣罕見，它存在于大量真核細胞中，并于神經(jīng)系統(tǒng)中高表達，通過對血管內(nèi)皮細胞、低密度脂蛋白代謝、平滑肌細胞、炎性氧化應(yīng)激、缺血再灌注等機制的調(diào)節(jié)，參與卒中后多個病理生理的變化[5]。

2 circRNA的來源和特征

circRNAs是特殊的非編碼RNA，以閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)命名，其環(huán)狀二級結(jié)構(gòu)是由單鏈線性轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物以反轉(zhuǎn)錄和共價鍵的形成而產(chǎn)生，其結(jié)果是一個封閉的非聚腺苷環(huán)狀轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物[6]。隨著生物信息技術(shù)的進展，circRNAs的形成機制和生物學特性越來越被學者所熟知。根據(jù)不同的遺傳來源，circRNAs可分為五種類型：(1)從外顯子衍生circRNAs，由外顯子正向跳躍式剪切其同源受體和供體而形成；(2)外顯子與內(nèi)含子共同衍生的 circRNAs(exon-intron circRNAs，ElciRNAs)，內(nèi)含子可與環(huán)化的外顯子互補序列區(qū)域配對，主要存在于細胞核中[7]；(3)從內(nèi)含子衍生的circRNAs由內(nèi)含子的5’端供體位點及相鄰分支的核苷酸序列形成[8]；(4)依賴于RNA結(jié)合蛋白(RBPs)模式；(5)依賴于其他環(huán)化模式，如編碼區(qū)、基因間區(qū)、反義鏈、未翻譯序列等[9]。

circRNAs的主要特征是：(1)廣泛存在于各種真核生物中，包括人體的心臟、肝臟、腎臟、骨骼系統(tǒng)、神經(jīng)組織等[10]，還存在于細胞質(zhì)、血清外體和人體體液中。研究發(fā)現(xiàn)，circRNAs在古細菌細胞中也很普遍，其含量比線性RNA高達10倍；(2)具有很強的穩(wěn)定性，其獨特的閉環(huán)結(jié)構(gòu)由于沒有5’端加帽與3’端加尾，使核糖核酸酶無結(jié)合靶點，而且circRNAs不易被降解，因此其穩(wěn)定性是線性轉(zhuǎn)錄本的2.5～5倍[11]。同時，circRNAs的半衰期比miRNA的半衰期長達48 h以上；(3)具有時空特異性，在不同時間、不同組織中的表達也有顯著差異。例如，circRims2是小鼠體內(nèi)的一種circRNAs，它在大腦中的含量約是其他組織的20倍；(4)具有高度保守性，但有些可發(fā)生快速的進化；(5)作為競爭性內(nèi)源RNA，在細胞中發(fā)揮miRNA分子海綿的作用；(6)大多數(shù)在轉(zhuǎn)錄后水平上對基因表達起調(diào)控作用，少數(shù)在轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)揮作用。

3 circRNA的功能

circRNAs的功能主要依靠其獨特的生物學性質(zhì)。首先，可作為miRNA功能的調(diào)控因子，即分子海綿效應(yīng)[12-13]，一些circRNAs有許多miRNA結(jié)合位點，可以通過選擇性應(yīng)答調(diào)節(jié)miRNA的表達水平或活性,從而對其靶基因的表達進行間接調(diào)控[14]。其次，circRNAs還可以通過堿基互補配對直接調(diào)控其他RNA的表達水平，結(jié)合RBPs調(diào)控蛋白質(zhì)功能，如結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子抑制基因的轉(zhuǎn)錄。目前已發(fā)現(xiàn)，脂多糖能誘導巨噬細胞表達circRNA-RasGEF1B(RasGEF結(jié)構(gòu)域家族成員1B)，巨噬細胞中circRNA-RasGEF1B的敲除導致脂多糖誘導的細胞間黏附分子-1表達減少，其通過調(diào)節(jié)細胞間黏附分子-1的穩(wěn)定性來實現(xiàn)[15]。雖然circRNAs屬于非編碼RNA，但也有少數(shù)circRNAs可以編碼多肽，從而完成其調(diào)控功能。近年來，有學者發(fā)現(xiàn)circRNA circ-znf609參與肌肉生成過程中的蛋白翻譯[16]，并在果蠅大腦中發(fā)現(xiàn)大量基于核糖體足跡的circRNAs直接翻譯蛋白或多肽[17]。大腦circRNAs的基因本體分析顯示，突觸蛋白承載了circRNAs的大部分基因編碼，許多腦circRNAs在突觸體和顯微結(jié)構(gòu)的突觸神經(jīng)膜中高度富集，揭示circRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的功能[18]。

4 circRNA與腦血管疾病

circRNAs含量豐富且具有較高的組織特異性，已成為研究熱點，在腫瘤、心臟病、糖尿病、阿爾茨海默病等多種疾病中扮演著重要的角色[19-20]，同時也與腦血管疾病的病理生理過程有密切關(guān)系。

4.1 circRNA調(diào)控動脈粥樣硬化 缺血性腦血管病作為神經(jīng)科常見的急癥，往往缺乏有效的治療方法，其特點是高發(fā)病率、高死亡率以及高致殘率[21]。動脈粥樣硬化是缺血性腦血管病的重要危險因素之一，是預防和治療該病的關(guān)鍵[22]。9號染色體短臂的p21區(qū)(9p21)是與人類動脈粥樣硬化相關(guān)的重要位點，周期蛋白所依賴的激酶4(ink4)基因的反義非編碼RNA(ANRIL)基因位于p21區(qū)，其表達增加與動脈粥樣硬化密切相關(guān)，而ANRIL能通過自發(fā)剪接形成環(huán)狀ANRIL(circANRIL)[23]。此外，ANRIL也是炎癥調(diào)節(jié)途徑的一個組成部分，炎癥被認為是動脈粥樣硬化的病因之一[24]。DU等[23]研究發(fā)現(xiàn)，circRNAs可競爭性結(jié)合核糖體裝配因子(PES1)，使巨噬細胞外切酶介導的rRNA加工成熟，影響核糖體的合成，導致核仁增加、體積減少和活化，從而影響血管內(nèi)皮細胞的凋亡和炎癥因子的產(chǎn)生，降低動脈粥樣硬化的風險，因此，circRNAs可減少動脈粥樣硬化的發(fā)病率。circRNAs hsa-circ-000595可以調(diào)節(jié)血管平滑肌細胞(VSMC)的凋亡，而VSMC的凋亡使動脈內(nèi)斑塊變薄、破裂[25]，促進動脈恢復原有彈性。SUN等[26]在不同的VSMC表型中檢測circRNAs的表達，發(fā)現(xiàn)circ_RUSC2可促進miR661靶基因SYK的表達，從而調(diào)節(jié)VSMC增殖、凋亡、表型調(diào)節(jié)和遷移。這些發(fā)現(xiàn)表明circRNAs可抑制血管平滑肌細胞增殖、遷移和分泌，從而減少動脈粥樣硬化的程度及斑塊大小，延緩腦血管疾病的進展。

4.2 circRNA在血管狹窄中的作用 內(nèi)皮細胞位于血管最內(nèi)層，產(chǎn)生和分泌生物活性物質(zhì)，對維持血管張力、調(diào)節(jié)血壓和防止血栓形成具有重要作用，被視為抵御血管疾病的第一道防線。血管內(nèi)皮細胞增生是大動脈狹窄和血管異常增生的首要因素[27]。GUOXI等[28]在探索circRNAs在高葡萄糖誘導的內(nèi)皮細胞功能障礙中發(fā)現(xiàn)，共有214種circRNAs在高葡萄糖誘導的HUVEC中出現(xiàn)差異表達，經(jīng)全面生物信息學分析，高葡萄糖誘導HUVEC差異表達的circRNAs在減輕血管內(nèi)皮功能和血管再生損害中起重要作用。DUAN等[29]在大腦中動脈阻塞(tMCAO)小鼠模型中建立了一個circRNA-miRNA網(wǎng)絡(luò)。從6個腦組織中共篩選出14 694個差異表達的circRNAs(DECs)，與無血管狹窄的模型相比，其中87個DECs呈顯著差異(P＜0.05)。circRNA.17737、circRNA.8828和circRNA.14479表達顯著上調(diào)，同時，上調(diào)的DECs曲線分析顯示circRNA.17737可能是大腦中動脈狹窄診斷的潛在生物標志物[30]。HAN等[31]在tMCAO小鼠腦卒中模型中發(fā)現(xiàn)缺血腦組織中的環(huán)狀RNA-Hect1(circHect1)水平顯著升高，減少circhect1表達可顯著降低tMCAO小鼠的梗死面積，減輕神經(jīng)元損傷。

4.3 circRNA在高血壓中的作用 高血壓作為腦血管疾病的另一重要危險因素，也是動脈粥樣硬化、周圍血管疾病等的危險因素。最近研究證明，在高血壓患者的各種組織、體液中均可檢測到circRNAs。有學者在對100例高血壓患者的病例研究中發(fā)現(xiàn)多達287個circRNAs存在，其中包括circRNAs的上調(diào)轉(zhuǎn)錄物及下調(diào)轉(zhuǎn)錄物[32]。研究組還發(fā)現(xiàn)hsa-circ-0037911與血清肌酐(scr)呈正相關(guān)，scr是高血壓的已知危險因素[33]。內(nèi)皮細胞功能紊亂與高血壓密切相關(guān)，研究表明circRNAs的異常表達可影響內(nèi)皮細胞的基因表達，在腦血管疾病的幾個主要危險因素中具有調(diào)控作用，其中，circRNAs在血壓穩(wěn)態(tài)中的作用可能是通過對腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的影響。此外，還應(yīng)考慮生活方式、炎癥和疾病狀態(tài)等對circRNAs調(diào)節(jié)高血壓的影響[34]。大多數(shù)研究都集中在循環(huán)系統(tǒng)(血漿或血清)中的差異表達，但關(guān)于這些RNA在血液中來源的數(shù)據(jù)有限。因此，了解circRNAs在直接參與組織、器官調(diào)節(jié)血壓中的作用，可以揭示它是如何導致高血壓的發(fā)生和發(fā)展。

4.4 circRNA影響缺血性卒中后的炎癥反應(yīng) 缺血性卒中發(fā)生后，血液中的中性粒細胞活化并進入腦組織，分泌炎癥因子，包括細胞因子、活性氧以及蛋白酶等，導致血腦屏障(BBB)破壞[35]。目前已知的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥機制包括神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激損傷、神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)紊亂、線粒體功能障礙、脂質(zhì)代謝紊亂和生長因子改變[36]，這些炎癥反應(yīng)導致腦組織水腫，加重神經(jīng)功能損害。研究發(fā)現(xiàn)CircRNA-0044073可激活HUVSMCs和HUVECs的JAK/STAT信號通路[37]，且可能直接調(diào)控miR-107，從而導致JAK1/STAT3信號上調(diào)。而JAK1是啟動許多炎癥性疾病的關(guān)鍵因素，誘導IL-1β、IL-6和TNF-α的產(chǎn)生[38]。在STAT蛋白中，STAT3是全身炎癥基因的激活因子，以激活形式存在于動脈粥樣硬化病變的炎癥區(qū)域，從而影響卒中后的功能恢復。此外，由核受體輔激活因子2(NcoA2)產(chǎn)生的circ-015350也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性，參與卒中后細胞凋亡和氧化應(yīng)激等多種生物學過程[39]。因此，減少CircRNA-0044073和circ-015350對炎癥因子的調(diào)控，可能減輕卒中后炎癥反應(yīng)，減少神經(jīng)功能損害程度，為治療卒中提供新的藥物靶點。

5 展望

以上研究表明，不同來源的circRNA在血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、炎性氧化應(yīng)激及血管狹窄的調(diào)控中起著重要作用，有助于揭示circRNAs調(diào)控腦血管病發(fā)生與發(fā)展的分子機制。circRNAs作為一種非編碼RNA，以其豐富性、高穩(wěn)定性和組織特異性成為近年來的研究熱點。由于circRNAs在動脈粥樣硬化型缺血性卒中患者中的差異表達及病理生理機制研究尚處于早期階段，許多circRNAs作用的特定通路及機制尚待進一步研究。例如，通過敲除circRNAs的特定表達，以確定circRNAs如何調(diào)節(jié)細胞通路，明確circRNAs對RNA的修飾是否發(fā)生，以及這些特征如何影響circRNAs功能，并開發(fā)新的生物信息學方法。對circRNAs的不斷探索將有助于研究者們更好地理解大腦功能的異質(zhì)性和動態(tài)性，同時，circRNAs以其獨特的優(yōu)勢也有望成為腦血管病領(lǐng)域的潛在標記物和藥物分子靶點，為腦血管病的發(fā)生、發(fā)展、診斷、治療和康復提供了新的視角。