環(huán)狀RNA與糖尿病微血管病變相關(guān)性的研究進(jìn)展

湯紹芳,何 慶

環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA) 廣泛存在于真核生物細(xì)胞中,是一類內(nèi)源性環(huán)狀非編碼RNA(non-coding RNA, ncRNA)分子,具有來源多樣、種類豐富、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、序列保守及表達(dá)特異等特性,在多種疾病的發(fā)生、發(fā)展中有著重要作用[1]。糖尿病微血管病變是糖尿病常見的慢性并發(fā)癥,主要包括糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy, DR) 、糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease,DKD)和糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN)等,是患者致殘、致死的重要原因之一。糖尿病微血管病變發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,涉及高血糖、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)等[2]。circRNA是目前研究的熱點(diǎn)之一,本文就circRNA作用機(jī)制及其與糖尿病微血管病變的相關(guān)性進(jìn)行綜述,探討circRNA對(duì)糖尿病微血管病變預(yù)防、診斷及治療的可能性。

1 circRNA的生物合成機(jī)制與功能

1.1 生物合成機(jī)制 主要有4種形式:(1)外顯子跳躍環(huán)化;(2) 內(nèi)含子配對(duì)驅(qū)動(dòng)環(huán)化A;(3) 內(nèi)含子套索驅(qū)動(dòng)環(huán)化;(4) RNA結(jié)合蛋白(RBP)驅(qū)動(dòng)環(huán)化[3]。 circRNA在體液中和組織表達(dá)豐度較高,在胞質(zhì)的分布多于胞核,可作為疾病診斷和評(píng)估的標(biāo)志物[4]。

1.2 生物學(xué)功能包括 (1)對(duì)microRNA分子的“海綿作用”,通過豐富的microRNA的結(jié)合位點(diǎn),發(fā)揮類似海綿樣的吸附作用,解除與疾病相關(guān)的microRNA對(duì)靶基因的抑制,實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的調(diào)控[3];(2)調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄,通過轉(zhuǎn)錄因子、表觀遺傳調(diào)節(jié)劑,以順式或反式方式調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄,并與線性剪接競(jìng)爭(zhēng)[5];(3)與蛋白相互作用,與蛋白結(jié)合可改變蛋白的空間結(jié)構(gòu),暴露或隱藏其活性位點(diǎn),阻斷蛋白與DNA、RNA及蛋白與蛋白的相互作用[3,4]。circRNA還可募集蛋白到染色質(zhì),調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子或表觀遺傳,改變基因表達(dá)。circRNA-蛋白-mRNA三元復(fù)合體可調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性和翻譯[6]。

2 與糖尿病微血管病變的關(guān)系

circRNA與糖尿病微血管病變密切相關(guān),多種circRNA在糖尿病微血管病變中異常表達(dá),是DR、DKD和DPN發(fā)生、發(fā)展的重要調(diào)控分子。在充分了解其致病機(jī)制的基礎(chǔ)上,circRNA有可能用于糖尿病微血管病變的診斷,人工合成相關(guān)circRNA也有望成為治療DR、DKD和DPN的分子工具。

2.1 circRNA與DR DR主要的病理生理機(jī)制是血糖增高誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激,活性氧(ROS)和晚期糖基化終末產(chǎn)物 (advanced glycation end products,AGEs)異常堆積,產(chǎn)生和釋放促炎因子,使周細(xì)胞數(shù)量減少,功能異常,內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂,發(fā)生微血管滲漏和纖維血管膜增殖[7]。研究發(fā)現(xiàn)在正常視網(wǎng)膜和糖尿病視網(wǎng)膜組織有529種circRNA存在差異性表達(dá)。DR患者的血清有30種circRNA表達(dá)明顯上調(diào),與DR的病理生理機(jī)制密切相關(guān)[8]。circHIPK3作為circRNA之一,由2號(hào)外顯子環(huán)化產(chǎn)生,可在視網(wǎng)膜表達(dá),在血管生成和維持內(nèi)皮細(xì)胞功能中具有重要調(diào)控作用。在高糖誘導(dǎo)的人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞(HRVECs)及STZ誘導(dǎo)的DR小鼠模型中,其表達(dá)顯著上調(diào)。沉默circHIPK3后,HRVECs的活性、增殖和遷移被抑制,成管能力下降,細(xì)胞毛細(xì)血管難以形成,視網(wǎng)膜毛細(xì)血管的滲漏、炎癥和水腫均可減輕[8]。進(jìn)一步研究顯示,circHIPK3是內(nèi)源性microRNA-30a-3p的分子海綿,能增加下游的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子C(VEGF-C)、卷曲蛋白4(FZD4)和WNT2蛋白的表達(dá),從而調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮功能。circHIPK3還可吸附microRNA-519-3p,調(diào)控基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2) 、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3(STAT3)與X連鎖凋亡抑制蛋白(XIAP) 的表達(dá),影響內(nèi)皮細(xì)胞功能。circHIPK3在DR患者的房水中表達(dá)也明顯上調(diào)。因此circHIPK3可能在DR的發(fā)生及發(fā)展中起著重要作用[9,10]。

cPWWP2A是存在于周細(xì)胞內(nèi)的一種circRNA,其表達(dá)異常與周細(xì)胞功能相關(guān)。糖尿病的相關(guān)病理因素如高血糖、氧化應(yīng)激及炎癥等可打破環(huán)狀cPWWP2A與線性PWWP2A間的穩(wěn)態(tài),細(xì)胞有絲分裂等發(fā)生紊亂[8]。應(yīng)用siRNA干擾cPWWP2A的表達(dá),周細(xì)胞的凋亡增加、增殖降低,周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞間的Crosstalk異常,對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的趨附力下降[11];而cPWWP2A的過表達(dá)可使周細(xì)胞增殖增加。cPWWP2A通過對(duì)miRNA-579的海綿樣作用,可抑制其活性,使其在胞質(zhì)中富集,發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(ceRNA)作用,影響Ang1/Occludin/SIRT1的表達(dá),調(diào)節(jié)周細(xì)胞的功能及周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞間的Crosstalk。circRNA的cZNF532對(duì)microRNA-29a-3p的海綿作用,可使賴氨酰氧化酶樣蛋白2(LOXL2)、蛋白聚糖NG2和周期蛋白依賴性激酶2(CDK2)的表達(dá)增加,影響周細(xì)胞的活性。因此circRNA有可能成為DR潛在的診斷標(biāo)記物和治療的分子靶點(diǎn)[8,10-12]。

2.2 circRNA與DKD DKD在糖尿病患者中的發(fā)病率為25%～40%,是成人終末期腎病(ESRD)第2位的原因[13]。在DKD的病理表現(xiàn)中常有腎小球系膜細(xì)胞(MCs)肥大、異常增殖和纖維化[14],而circRNA與MCs的異常增殖、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)積聚及纖維化密切相關(guān)。circHIPK3在DKD患者及高糖誘導(dǎo)的MCs中的表達(dá)上調(diào),通過調(diào)控細(xì)胞周期與纖維蛋白沉積,進(jìn)而影響DKD進(jìn)展。沉默circHIPK3后,轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)、纖維連接蛋白、Ⅰ型和Ⅳ型膠原蛋白等的mRNA表達(dá)降低,細(xì)胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)mRNA的豐度明顯下降[14-16]。

在DKD患者和DKD大鼠模型及高糖培養(yǎng)的MCs中,circ_DLGAP4的表達(dá)均增加,并通過吸附miR-143來調(diào)節(jié)受體酪氨酸蛋白激酶/NF-κB/MMP2軸,促使MCs增殖和纖維化增加,損害腎小球?yàn)V過屏障。circ-DLGAP4同樣也通過上述通路作用促進(jìn)DKD的進(jìn)展[17]。circ_WBSCR17與miR-24-3p可競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,使成纖維生長(zhǎng)因子11釋放增加,促進(jìn)細(xì)胞增殖和纖維化[18]。circ_LARP4質(zhì)粒轉(zhuǎn)染系膜細(xì)胞,可通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR-424,抑制系膜細(xì)胞增殖并增加凋亡,降低纖維化相關(guān)蛋白的表達(dá)[19]。在高糖誘導(dǎo)的腎小管上皮(HK-2)細(xì)胞中circ_0003204的表達(dá)明顯升高,miR-346的表達(dá)明顯降低。抑制circ_0003204表達(dá)或增加miR-346的表達(dá),高糖誘導(dǎo)的HK-2細(xì)胞增殖減少,凋亡增加。細(xì)胞培養(yǎng)液中的LDH、IL-6 水平及細(xì)胞中ROS活性、MDA含量降低,細(xì)胞中SOD活性升高,說明circ_0003204可能通過靶向調(diào)節(jié)miR-346影響高糖誘導(dǎo)的HK-2細(xì)胞的增殖、凋亡、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[20]。還有研究顯示circ_0041795可能通過靶向調(diào)節(jié)miR-361-3p影響高糖誘導(dǎo)的HK-2細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激損傷[21]。

2.3 circRNA與DPN DPN的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,circRNA對(duì)DPN的神經(jīng)病理性疼痛有著重要的調(diào)控作用[22]。臨床研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者circHIPK3的表達(dá)水平與神經(jīng)病理性疼痛的分級(jí)呈正相關(guān)。circHIPK3在STZ誘導(dǎo)糖尿病大鼠的血清和背根神經(jīng)節(jié)中含量較高,對(duì)其進(jìn)行基因敲除后,IL-1β、IL-6、IL-12和TNF-α的表達(dá)降低,大鼠的神經(jīng)性疼痛可明顯緩解,可能是circHIPK3降低了miR-124的表達(dá)而發(fā)揮作用。 在糖尿病大鼠鞘內(nèi)注射circHIPK3 shRNA可緩解其神經(jīng)性疼痛[22]。自噬相關(guān)circRNA研究(ACR)發(fā)現(xiàn),在作為DNP的體外模型的高糖引起的大鼠雪旺細(xì)胞RSC96,外源性沉默circRNA可使miR-145-3p的表達(dá)降低,進(jìn)而激活PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路,從而減輕RSC96細(xì)胞的凋亡、自噬及ROS的生成[23]。circZRANB1表達(dá)下調(diào)可通過海綿吸附miR-24-3p,調(diào)控LPAR3的表達(dá),介導(dǎo)Wnt5a/β-Catenin 信號(hào)通路,引起神經(jīng)病理性疼痛[24]。下調(diào)circ_0005075的表達(dá)可降低miR-151a-3p表達(dá),阻斷NOTCH2,引起靶向COX-2、IL-6和TNF-α水平下降,從而抑制神經(jīng)炎癥,緩解疼痛[25]。

circRNA因其獨(dú)特的生物學(xué)功能和在體液中相對(duì)穩(wěn)定的表達(dá),日益成為研究的熱點(diǎn)。隨著高通量測(cè)序等技術(shù)的不斷發(fā)展,其多種生物學(xué)功能也不斷被挖掘。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)circRNA在糖尿病微血管病變的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用,深入研究circRNA在糖尿病微血管病變中的分子作用機(jī)制,可為糖尿病微血管并發(fā)癥的預(yù)防、診斷和治療提供更多手段。然而,circRNA很多的作用機(jī)制和功能仍不清楚,還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究,使其早日應(yīng)用于糖尿病微血管病變的臨床診治成為可能。