環(huán)狀RNA與氧化應(yīng)激互作機(jī)制的研究進(jìn)展

趙久紅，童佳婷，沈郅珺，呂葉輝

上海健康醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，上海 201318

環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）是一類共價閉環(huán)非編碼RNA，是由mRNA 前體通過特殊的可變剪切連接而成的內(nèi)源性RNA［1］。circRNA 在哺乳動物細(xì)胞中廣泛表達(dá)， 可通過充當(dāng)微RNA（miRNA）海綿、與RNA 結(jié)合蛋白相互作用、調(diào)節(jié)mRNA 穩(wěn)定性、作為競爭性內(nèi)源RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）等機(jī)制在多個水平參與基因調(diào)控，廣泛參與缺血、缺氧、損傷修復(fù)、腫瘤發(fā)生等多種病理生理過程［1-3］。氧化應(yīng)激是指機(jī)體在衰老或者遭受有害刺激時，機(jī)體內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生與清除（抗氧化）失衡的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷，與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。隨著研究深入，已有證據(jù)表明多種circRNA 在氧化應(yīng)激狀態(tài)下表達(dá)異常。分析circRNA 的表達(dá)改變及其對氧化應(yīng)激相關(guān)分子指標(biāo)的作用機(jī)制具有重要意義，不僅有助于揭示發(fā)病機(jī)制，也可為相關(guān)疾病的防治提供理論基礎(chǔ)。本文在梳理現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以器官系統(tǒng)疾病為主線，就氧化應(yīng)激過程中的circRNA 的表達(dá)變化及調(diào)控作用機(jī)制做一綜述。

1 氧化應(yīng)激概述

氧化應(yīng)激即體內(nèi)ROS 的產(chǎn)生與ROS 清除失衡的一種狀態(tài)。ROS 是生物體有氧代謝過程中的正常副產(chǎn)物，在機(jī)體內(nèi)被不斷地產(chǎn)生，包括超氧陰離子、羥基自由基、氧自由基衍生的單線態(tài)氧、過氧化氫（H2O2）、過氧亞硝酸鹽、一氧化氮（NO）等，并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和表達(dá)調(diào)控參與各項生命過程［4］。生理狀態(tài)下，代謝產(chǎn)生的ROS 能被體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)清除，而ROS 和抗氧化系統(tǒng)之間的良好平衡對于細(xì)胞的正常功能至關(guān)重要［5］。在機(jī)體衰老或病理狀態(tài)下，都有可能導(dǎo)致ROS 產(chǎn)生和清除失衡，導(dǎo)致各類分子受到氧化損傷，如DNA 斷裂、蛋白質(zhì)變性和脂質(zhì)過氧化等，細(xì)胞表現(xiàn)為衰老、凋亡或壞死［6］。上述氧化應(yīng)激改變可出現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，如阿爾茨海默病和帕金森?。?-8］；也可出現(xiàn)在心血管系統(tǒng)疾病，如氧自由基攻擊心肌細(xì)胞和動脈粥樣硬化等［9-10］；也有研究表明氧化應(yīng)激在腎臟損傷、肺損傷等疾病的發(fā)生、 發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用［11-12］。

氧化應(yīng)激標(biāo)志物是指能反映機(jī)體內(nèi)氧化應(yīng)激水平的一系列生化分子。在氧化應(yīng)激過程中，清除氧化產(chǎn)物的蛋白酶減少，大量氧化中間產(chǎn)物蓄積，從而導(dǎo)致分子、細(xì)胞和機(jī)體的一系列損傷。而目前常用的氧化應(yīng)激標(biāo)志物也是從蛋白酶、中間產(chǎn)物及損傷產(chǎn)物3 個層面進(jìn)行選取，詳見表1。氧化應(yīng)激發(fā)生時，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）表達(dá)下降，活性降低，產(chǎn)生過多的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛（malondialdehyde，MDA）；谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px） 也是體內(nèi)重要的過氧化物分解酶，可使MDA 還原，從而保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷；因此SOD、MDA 和GSH-Px 常被作為判斷氧化應(yīng)激程度的指標(biāo)［13-14］。過量表達(dá)的誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS） 是NO 異常增多的主要原因，過氧化氫酶（catalase，CAT）也是重要的H2O2清除酶，這些酶亦可用來評估氧化應(yīng)激狀態(tài)。氧化應(yīng)激本就表現(xiàn)為ROS 升高，所以ROS 本身也是氧化應(yīng)激標(biāo)志物。在機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)下，增多的ROS 可使體內(nèi)的生物大分子等出現(xiàn)不同程度的氧化：谷胱甘肽大量轉(zhuǎn)化成氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione， GSSG）； 3- 硝基酪氨酸（3-nitrotyrosine，3-NT）為蛋白硝基化終產(chǎn)物，能不斷積累活性氮和活性氧，影響細(xì)胞內(nèi)線粒體生物功 能 ； 8- 羥 基 脫 氧 鳥 苷 （8-hydroxy-2-deoxyguanosine，8-OHdG）是ROS 攻擊DNA 分子中鳥嘌呤堿基的第8 位碳原子形成的氧化加合物；故而GSSG、3-NT 和8-OHdG 也可作為氧化應(yīng)激標(biāo)志物。此外，亦有研究表明鐵、汞等金屬處理可造成機(jī)體內(nèi)的氧化與抗氧化的不平衡，也有學(xué)者推薦將微量金屬元素作為標(biāo)志物來檢測機(jī)體的氧化應(yīng)激狀態(tài)［15］。

表1 研究常用的氧化應(yīng)激標(biāo)志物Tab 1 Commonly used oxidative stress markers in present studies

標(biāo)志物含量的變化既可以明確氧化應(yīng)激狀態(tài)，也是分析疾病發(fā)生、發(fā)展與氧化應(yīng)激相關(guān)性的前提，無論是蛋白酶、中間產(chǎn)物，還是終產(chǎn)物，相關(guān)的表達(dá)調(diào)控主要在3 個水平上進(jìn)行，即miRNA-mRNA-蛋白質(zhì)作用網(wǎng)絡(luò)。circRNA 作為近年來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點分子，其轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控作用主要表現(xiàn)為以下幾點［16-18］：轉(zhuǎn)錄時與mRNA 前體發(fā)生剪接競爭，起到ceRNA 作用；充當(dāng)miRNA 海綿，與mRNA 競爭miRNA 位點；少數(shù)circRNA 包含核糖體進(jìn)入位點，具有翻譯能力；在翻譯后水平與蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)蛋白的活性。鑒于上述調(diào)控機(jī)制和相關(guān)研究基礎(chǔ)，circRNA 可能是氧化應(yīng)激過程中的關(guān)鍵分子，對于氧化應(yīng)激標(biāo)志物的表達(dá)調(diào)控和下游改變具有重要作用。在氧化應(yīng)激狀態(tài)下特異性表達(dá)的circRNA，可通過多種機(jī)制進(jìn)行調(diào)控，特別是通過miRNA 影響下游基因表達(dá)，參與氧化應(yīng)激造成的損傷，亦可上調(diào)相關(guān)抗氧化因子，降低氧化應(yīng)激的影響。根據(jù)在氧化應(yīng)激過程中不同的調(diào)控作用（促進(jìn)或抑制），本文將相關(guān)circRNA 大致分為促氧化應(yīng)激損傷和抗氧化應(yīng)激損傷2類。

2 circRNA 在心血管疾病氧化應(yīng)激中的作用

心血管疾病在世界范圍內(nèi)都有著極高的發(fā)病率和死亡率，越來越多的證據(jù)表明氧化應(yīng)激參與了多種心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展。已有研究表明circRNA 是高血壓、心肌梗死、動脈粥樣硬化等心血管疾病中的重要調(diào)控因子，而且與氧化應(yīng)激損傷有關(guān)［9］。系列研究表明差異性表達(dá)的circRNA 可通過多種作用機(jī)制對氧化應(yīng)激誘發(fā)的炎癥反應(yīng)或細(xì)胞損傷發(fā)揮調(diào)控作用，詳見表2。

表2 circRNA在心血管疾病氧化應(yīng)激中的表達(dá)調(diào)控機(jī)制Tab 2 Regulatory mechanism of circRNA expression under oxidative stress in cardiovascular diseases

2.1 促氧化應(yīng)激circRNA

H2O2或缺血再灌注損傷（ischemia/reperfution，Ⅰ/R）處理的心肌細(xì)胞可誘導(dǎo)circNCX1 高表達(dá)，miR-133a-3p 與circNCX1 競爭性結(jié)合，以致前者對促凋亡因子細(xì)胞死亡誘導(dǎo)蛋白（cell death-inducing p53 target protein 1，CDⅠP1）的翻譯抑制作用喪失，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡［19］。circHⅠPK2 在H2O2處理新生小鼠心肌細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)，并通過miR-485-5p/ATG101 通路促進(jìn)自噬，加速氧化應(yīng)激中的細(xì)胞凋亡和死亡［20］。在氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，ox-LDL） 誘導(dǎo)的細(xì)胞模型中，hsa_circ_0007478 （circTM7SF3） 通過miR-206 的介導(dǎo)上調(diào)天冬酰胺β 羥化酶（aspartyl β-hydroxylase，ASPH）、TNF-α、ⅠL-6 表達(dá)，起到促炎、促凋亡的作用［21］。在高葡萄糖（high glucose，HG）或脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）處理的氧化應(yīng)激細(xì)胞模型中，高表達(dá)的circBPTF 和circHⅠPK3 可通過上調(diào)TNF-α、ⅠL-6、Bax、caspase3、CK-MB 等起到促炎、促凋亡的作用［22-23］。在LPS 誘導(dǎo)的心肌炎小鼠模型中，敲除circHⅠPK3 可有效降低ROS、MDA 等氧化應(yīng)激標(biāo)志物的含量，抑制心肌細(xì)胞凋亡，減輕心肌組織損傷［23］。

2.2 抗氧化應(yīng)激circRNA

2.2.1 氧化應(yīng)激條件下表達(dá)下調(diào) Ⅰ/R 后心肌細(xì)胞內(nèi)hsa_circ_0000064（circB4GALT2） 表達(dá)降低，上調(diào)的CK-MB、Bax和caspase3參與氧化應(yīng)激狀態(tài)下的細(xì)胞損傷；如損傷前采用紅景天苷預(yù)處理，細(xì)胞內(nèi)的hsa_circ_0000064 顯著上調(diào)，上述凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)下降，減輕氧化應(yīng)激對心肌細(xì)胞的損傷［24］。在ox-LDL 誘導(dǎo)的細(xì)胞模型中， hsa_circ_0001445（circSMARCA5）和hsa_circ_0000345（circRSF1）的表達(dá)顯著下調(diào)：前者與miR-640 的介導(dǎo)有關(guān)，下調(diào)后引起TNF-α、ⅠL-6、ⅠL-β、Bax 和caspase3 等炎癥因子及凋亡相關(guān)蛋白的上調(diào)；后者與細(xì)胞周期素D2（cyclin D2，CCND2）競爭性結(jié)合miR-758，下調(diào)后CCND2 表達(dá)下降，Bax 和HⅠF-1α 的表達(dá)升高；兩者的低表達(dá)均起到促炎、促凋亡的作用。值得注意的是，將過表達(dá)的circSMARCA5或circRSF15的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染到細(xì)胞后，再行氧化應(yīng)激時，高水平的circRNA 可通過下調(diào)相關(guān)炎癥因子及凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，起到抗氧化應(yīng)激的作用［25-27］。

2.2.2 氧化應(yīng)激條件下表達(dá)上調(diào) 在ox-LDL 誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞中，circ_0029589（circCHFR）表達(dá)上調(diào)，通過miRNA 海綿吸附miR-424-5p 使胰島素樣生長因子2 （insulin-like growth factor 2，ⅠGF2）表達(dá)增加，減少細(xì)胞凋亡，起到抗氧化應(yīng)激的作用；沉默circ_0029589 或過表達(dá)miR-424-5p，可使細(xì)胞在氧化應(yīng)激時增殖下降且凋亡增加［28］。該研究也提示機(jī)體在氧化應(yīng)激下，會通過高表達(dá)部分circRNA 來應(yīng)對過氧化狀態(tài)、減輕損傷，這是一種自我保護(hù)機(jī)制。

3 circRNA 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病及肺部疾病氧化應(yīng)激中的作用

在神經(jīng)系統(tǒng)疾病，特別是神經(jīng)退行性病變中，ROS增多、脂質(zhì)過氧化、細(xì)胞色素C釋放等因素是氧化應(yīng)激損傷的重要機(jī)制，可導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡或死亡的發(fā)生，是病變的重要基礎(chǔ)［7］。肺也是氧化應(yīng)激暴露的常見受累器官，特別是在慢性阻塞性肺?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD） 中，氧化應(yīng)激是重要的致病機(jī)制［12，29］。隨著研究深入，已有證據(jù)表明circRNA 可能是連接氧化應(yīng)激與神經(jīng)系統(tǒng)疾病或肺部疾病之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［30-31］，詳見表3。

表3 circRNA在神經(jīng)系統(tǒng)及肺疾病氧化應(yīng)激中的表達(dá)調(diào)控機(jī)制Tab 3 Regulatory mechanism of circRNA expression under oxidative stress in neurological disorders and lung diseases

3.1 促氧化應(yīng)激circRNA

百草枯處理神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系制作氧化應(yīng)激模型，發(fā)現(xiàn)circSLC8A1 顯著升高，與線性mRNA 競爭導(dǎo)致SLC8A1表達(dá)下調(diào)；circSLC8A1 還具有miR-128和Ago2 蛋白結(jié)合位點，使miR-128 的靶基因表達(dá)上調(diào)，參與氧化應(yīng)激所致的帕金森?。?2］。在谷氨酸誘導(dǎo)的HT22 細(xì)胞（小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞系）氧化應(yīng)激模型中，circFoxO3 表達(dá)升高，介導(dǎo)凋亡相關(guān)蛋白BimEL、cytochrome 及caspase 上調(diào)，從而減弱細(xì)胞活力、促進(jìn)細(xì)胞凋亡；敲除circFoxO3 后BimEL 下調(diào)，間接抑制HT22 細(xì)胞的線粒體凋亡，減輕氧化應(yīng)激損傷［33］。

香煙煙霧被公認(rèn)為COPD 的危險因素，香煙煙霧所致的氧化應(yīng)激在COPD 中也至關(guān)重要。有3 個不同的實驗組借助香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）誘導(dǎo)細(xì)胞氧化應(yīng)激，并檢測出多種circRNA 異常升高，這些指標(biāo)可能是阻斷氧化應(yīng)激的潛在靶點。XUE 等［12］發(fā)現(xiàn)發(fā)生氧化應(yīng)激條件下，hsa_circ_0006872 （circASCC3） 通過miR-145-5p/NF-κB 途徑，促進(jìn)CSE 誘導(dǎo)的人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)ROS、SOD 和MDA 增多，促炎、促凋亡。WANG 等［34］發(fā)現(xiàn)circANKRD11 可與miR-145-5p 結(jié)合，導(dǎo)致Bax、caspase3、TNF-α 等炎癥因子及凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)增加，沉默circANKRD11 可明顯改善CSE 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激所致的炎癥及凋亡情況。QⅠAO 等［35］發(fā)現(xiàn)在CSE 處理的人支氣管上皮樣細(xì)胞中，circRBMS1 在氧化應(yīng)激狀態(tài)下表達(dá)上調(diào)，敲除circRBMS1 后可降低炎癥水平、減少細(xì)胞凋亡。

3.2 抗氧化應(yīng)激circRNA

研究發(fā)現(xiàn)在H2O2誘導(dǎo)的神經(jīng)元氧化應(yīng)激模型中，circPRKCⅠ表達(dá)下調(diào)，通過circPRKCⅠ-miR-545/589-E2F7軸，上調(diào)凋亡相關(guān)蛋白caspase3和caspase9的表達(dá)，而過表達(dá)circPRKCⅠ可顯著減輕氧化應(yīng)激損傷，減少細(xì)胞凋亡［36］。

4 circRNA在腎疾病氧化應(yīng)激中的作用

氧化應(yīng)激是急性腎損傷（acute kidney injury，AKⅠ）和糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）的發(fā)病機(jī)制之一，circRNA 在其中也發(fā)揮著重要作用，見表4。

表4 circRNA在腎疾病氧化應(yīng)激中的表達(dá)調(diào)控機(jī)制Tab 4 Regulatory mechanism of circRNA expression under oxidative stress in kidney diseases

4.1 促氧化應(yīng)激circRNA

在盲腸結(jié)扎穿刺（cecum ligation and puncture，CLP）制作的膿毒癥相關(guān)性AKⅠ模型中，circTLK1的表達(dá)升高，通過miR-106a-5p 軸加劇炎癥、凋亡等氧化應(yīng)激損傷［37］。在腎Ⅰ/R 損傷模型中，高表達(dá)的circAKT3 通過miRNA 海綿作用下調(diào)miR-144-5p 的表達(dá)，致使Bax 及caspase3 上調(diào)，介導(dǎo)了氧化應(yīng)激過程［38］。在HG誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激細(xì)胞模型中，circLRP6顯著上調(diào)并吸附miR-205，使高遷移率族蛋白1（high mobility group protein 1，HMGB1）表達(dá)上調(diào)，HMGB1 具有促炎作用，可加劇氧化應(yīng)激所致的細(xì)胞損傷，也是DN病情進(jìn)展的獨立危險因素［39］。

4.2 抗氧化應(yīng)激circRNA

SHⅠ等［40］的實驗表明，在LPS 誘導(dǎo)腎細(xì)胞模型中，circVMA21 表達(dá)下調(diào)，通過miR-9-3p/SMG1/炎癥因子軸介導(dǎo)氧化應(yīng)激過程，過表達(dá)circVMA21 則可降低炎癥水平、減少細(xì)胞凋亡。

當(dāng)然，circRNA 參與和介導(dǎo)的氧化應(yīng)激不只局限于上述器官系統(tǒng)疾病中。LⅠ等［41］在HG 誘導(dǎo)的人視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)高表達(dá)的circRNA_0084043 參與氧化應(yīng)激過程，導(dǎo)致細(xì)胞活力下降和凋亡增加，下調(diào)其表達(dá)則可減輕氧化應(yīng)激損傷。YANG 等［42］從circRNA 的角度研究了氧化應(yīng)激在骨關(guān)節(jié)炎中的發(fā)病機(jī)制，揭示了circRSU1/miR-93-5p/MAP3K8軸，通過MEK/ERK1/2和NF-κB途徑促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

5 circRNA 與氧化應(yīng)激相互作用機(jī)制分析與探討

5.1 氧化應(yīng)激狀態(tài)導(dǎo)致circRNA表達(dá)改變

多項研究已經(jīng)證實氧化應(yīng)激狀態(tài)下多種circRNA出現(xiàn)明顯的上調(diào)或下調(diào)，雖然氧化應(yīng)激介導(dǎo)circRNA形成和變化的機(jī)制尚未完全明確，但有報道表明氧化應(yīng)激可通過影響轉(zhuǎn)錄過程的順式作用元件［43］、促進(jìn)反式作用因子的核轉(zhuǎn)移［44］、改變剪接體的功能［45］，進(jìn)而對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，而上述機(jī)制都在circRNA的形成過程中發(fā)揮重要作用。當(dāng)然，氧化應(yīng)激狀態(tài)下circRNA 的差異性表達(dá)很可能是一個復(fù)雜的多通路機(jī)制，還有待進(jìn)一步深入。

5.2 circRNA調(diào)控氧化應(yīng)激進(jìn)程

circRNA 可通過多種機(jī)制，在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控氧化應(yīng)激的進(jìn)程。已有多項研究［12，19-24，35-38］表明circRNA 主要通過miRNA 的介導(dǎo)調(diào)控相關(guān)炎癥因子及凋亡基因的表達(dá)，影響炎癥水平及細(xì)胞凋亡、死亡進(jìn)程，發(fā)揮促或抗氧化應(yīng)激損傷的作用。也有研究［22-24，32-33］顯示circRNA 直接或間接調(diào)控抗氧化基因的表達(dá)，改變氧化應(yīng)激進(jìn)程。以核因子E2相關(guān)因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，NRF2）和Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1 （Kelch-like ECHassociated protein 1，KEAP1）為例，KEAP1/NRF2信號通路在調(diào)控抗氧化基因的表達(dá)中發(fā)揮重要作用，circKEAP1與miR-141-3p結(jié)合可激活KEAP1/NRF2信號通路，減輕氧化應(yīng)激損傷［46］，circTCONS_l2_00004572則可下調(diào)NRF2的表達(dá)，導(dǎo)致ROS增加，加劇氧化應(yīng)激損傷［47］。

6 結(jié)語與展望

氧化應(yīng)激可導(dǎo)致circRNA 表達(dá)變化，circRNA 也可調(diào)控氧化應(yīng)激狀態(tài)，兩者相互作用和影響，參與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展。氧化應(yīng)激條件下表達(dá)變化的circRNA 大致可分為促氧化應(yīng)激和抗氧化應(yīng)激2 類：前者多在氧化應(yīng)激時表達(dá)上調(diào)，介導(dǎo)炎癥因子及凋亡蛋白表達(dá)增多，加劇氧化應(yīng)激損傷，下調(diào)此類circRNA 可減輕氧化應(yīng)激損傷；后者多在氧化應(yīng)激時表達(dá)下調(diào)，過表達(dá)此類circRNA 可降低炎癥水平、減少細(xì)胞凋亡，起到抗氧化應(yīng)激損傷的作用。本文綜述了各系統(tǒng)疾病中circRNA 與氧化應(yīng)激的相互作用，分析了circRNA 在促氧化應(yīng)激和抗氧化應(yīng)激中的具體作用機(jī)制，希望能為進(jìn)一步研究提供參考。