環(huán)狀RNA參與調(diào)控糖尿病視網(wǎng)膜病變的研究進(jìn)展

何潤(rùn)西，徐銘超，黎曉冬，武海燕，謝學(xué)軍

0引言

糖尿病性微血管病變是糖尿病常見(jiàn)慢性并發(fā)癥之一，糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)屬于糖尿病性微血管病變，是一種影響視力甚至致盲的慢性進(jìn)行性疾病[1]。有研究顯示，在DR患者視網(wǎng)膜中有529個(gè)環(huán)狀RNA(circular RNA，circRNA)差異性表達(dá)，circRNA可能參與DR的發(fā)病機(jī)制，是DR診斷的潛在生物標(biāo)志物[2]，目前聚焦在circRNA調(diào)控DR的研究甚少。本文擬對(duì)circRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與生物學(xué)功能及其作為競(jìng)爭(zhēng)性?xún)?nèi)源RNA(competitive endogenous RNA，ceRNA)與微小RNA( microRNA，miRNA)共同參與DR發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的分子機(jī)制、調(diào)控作用及其治療前景進(jìn)行綜述。

1 circRNA概述

circRNA是一種新型RNA分子、一種特殊的非編碼內(nèi)源性RNA(non coding endogenous RNA，neRNA)，其廣泛存在于真核生物中，并在不同物種間均有發(fā)現(xiàn)[3]。由于circRNA具有共價(jià)封閉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因而具有穩(wěn)定性、且功能復(fù)雜，在組織或疾病中具有特異性表達(dá)，與多種疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。根據(jù)circRNA在基因組位置的不同，circRNA可分為一個(gè)外顯子、多個(gè)外顯子、內(nèi)含子、外顯子-內(nèi)含子、基因間和反義circRNA等幾種類(lèi)型[4]。

circRNA的生物學(xué)功能[5]主要有：(1)因含有miRNA響應(yīng)元件(miRNA response element，MRE) ，可作為ceRNA結(jié)合miRNA，抑制miRNA與細(xì)胞質(zhì)中信使RNA(messenger RNA，mRNA)結(jié)合，從而調(diào)控基因表達(dá)；(2)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄；(3)蛋白質(zhì)吸附；(4)其他：選擇性剪切作用，蛋白質(zhì)翻譯等。

2 circRNA與DR

2.1circRNA在DR中的調(diào)控作用血-視網(wǎng)膜屏障(blood-retina barrier，BRB)由內(nèi)屏障和外屏障組成。視網(wǎng)膜毛細(xì)血管內(nèi)皮及其連接形成血-視網(wǎng)膜內(nèi)屏障，視網(wǎng)膜毛細(xì)血管分布在視網(wǎng)膜內(nèi)6層，屬連續(xù)型毛細(xì)血管，由內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和基膜構(gòu)成，周細(xì)胞[6]是沿毛細(xì)血管壁和毛細(xì)血管后小靜脈間隔存在的細(xì)胞，位于內(nèi)皮細(xì)胞外側(cè)。周細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞間相互作用對(duì)維持血管穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。而視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)位于視網(wǎng)膜外層，形成BRB，RPE細(xì)胞除了有選擇性通透性外，也能夠主動(dòng)運(yùn)輸。DR的主要病理改變?yōu)橐暰W(wǎng)膜微血管基底膜增厚、內(nèi)皮細(xì)胞及周細(xì)胞等發(fā)生炎癥反應(yīng)甚至凋亡、RPE細(xì)胞功能損傷或丟失、微血管通透性增加、病理性新生血管增生等，與內(nèi)外屏障功能被破壞均有關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)，circPWWP2A與DR具有明顯相關(guān)性，是周細(xì)胞內(nèi)特異性的circRNA分子，糖尿病導(dǎo)致其在周細(xì)胞內(nèi)表達(dá)應(yīng)激性地升高，而在內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)無(wú)顯著差異[7]。Liu等[8]研究顯示，circPWWP2A可通過(guò)外泌體從周細(xì)胞轉(zhuǎn)移到內(nèi)皮細(xì)胞，circPWWP2A攝取異?？蓪?dǎo)致周細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞間相互作用異常及視網(wǎng)膜血管功能障礙，提示circPWWP2A可能是DR發(fā)病機(jī)制的重要調(diào)節(jié)因子之一。同樣也有研究顯示，circZNF532在高血糖應(yīng)激下的周細(xì)胞、糖尿病小鼠模型的視網(wǎng)膜血管和糖尿病患者的玻璃體中的表達(dá)上調(diào)[9]。circZNF532可維持周細(xì)胞功能、促進(jìn)周細(xì)胞的增殖、維持微血管穩(wěn)態(tài)，保護(hù)其免受高糖刺激，并延緩視網(wǎng)膜血管功能障礙的進(jìn)展。Zhou等[10]研究circ-ITCH在糖尿病RPE細(xì)胞中的生物學(xué)效應(yīng)并探討其潛在作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在糖尿病大鼠RPE細(xì)胞中circ-ITCH的表達(dá)顯著低于正常大鼠。糖尿病誘導(dǎo)RPE細(xì)胞中與炎癥、BRB破壞、新生血管形成相關(guān)的因子基質(zhì)金屬蛋白酶-2 (Matrix metalloproteinase-2，MMP-2) 、基質(zhì)金屬蛋白酶-9 (Matrix metalloproteinase-9，MMP-9) 和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)增加，但體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)過(guò)表達(dá)circ-ITCH對(duì)這些因子產(chǎn)生抑制作用。

2.2circRNA與miRNA在調(diào)控DR中的相互作用circRNA最突出的功能是其作為miRNA海綿通過(guò)抑制miRNA活性來(lái)調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)[11]：circRNA是一種競(jìng)爭(zhēng)性?xún)?nèi)源RNA(ceRNA)，含有多個(gè)MREs，可以與多個(gè)miRNA結(jié)合；circRNAs競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合(海綿樣吸附)miRNA，則可影響miRNA的活性；解除miRNA對(duì)其靶基因的抑制作用，從而促進(jìn)靶基因的表達(dá)。circRNA可以擁有多個(gè)miRNA的MREs，也可以擁有單個(gè)miRNA的多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)。

大多數(shù)circRNA存在于細(xì)胞質(zhì)中，在細(xì)胞核中可以檢測(cè)到部分circRNA的存在，這些 circRNA可與宿主基因啟動(dòng)子區(qū)的RNA聚合酶Ⅱ反應(yīng)，調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄[12]。并且，circRNA 不僅具有miRNA的結(jié)合元件，而且還具有蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn)[13]，當(dāng)circRNA與靶蛋白結(jié)合時(shí)，也會(huì)對(duì)這類(lèi)蛋白加以調(diào)控。

miRNA與視網(wǎng)膜微血管病變的關(guān)系是目前研究的熱點(diǎn)之一。He等[14]通過(guò)RNA測(cè)序和生物信息學(xué)分析比較了增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變(proliferative diabetic retinopathy，PDR)與非糖尿病患者玻璃體中circRNA表達(dá)譜的轉(zhuǎn)錄水平，結(jié)果顯示：與對(duì)照組相比，PDR組共檢測(cè)到122個(gè)上調(diào)的circRNA和9個(gè)下調(diào)的circRNA，818個(gè)上調(diào)的miRNA和864個(gè)下調(diào)的miRNA；進(jìn)一步對(duì)circRNA和miRNA相互作用分析顯示，每個(gè)circRNA都可以與至少5個(gè)miRNA相互作用，其中部分miRNA在DR組中發(fā)生下調(diào)，其對(duì)DR的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要。

circRNA與miRNA在生物體內(nèi)的調(diào)控平衡一旦被打破，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂和疾病的發(fā)生。circRNA作為競(jìng)爭(zhēng)性?xún)?nèi)源RNA在視網(wǎng)膜微血管病變中的主要機(jī)制如下。

2.2.1circRNA參與調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜周細(xì)胞功能近期研究發(fā)現(xiàn)circPWWP2A與視網(wǎng)膜微血管病變具有明顯相關(guān)性[7]：在體內(nèi)、外高糖環(huán)境下，circPWWP2A的表達(dá)水平均顯著上調(diào)，circPWWP2A通過(guò)海綿樣吸附miR-579以發(fā)揮ceRNA的作用，導(dǎo)致下游靶基因Angiopoietin 1/ Occludin/ SIRT 1表達(dá)的增加，進(jìn)而參與調(diào)控DR周細(xì)胞功能及周細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞間的相互作用。該研究表明，可以通過(guò)外源性干預(yù)來(lái)增加cPWWP2A/抑制miR-579表達(dá)，從而達(dá)到改善糖尿病性微血管病變對(duì)組織的損傷。Jiang等[9]研究發(fā)現(xiàn)circZNF532通過(guò)充當(dāng)miR-29a-3p海綿并誘導(dǎo)神經(jīng)元膠原抗原(neuron-glia antigen2，NG2)、賴(lài)氨酰氧化酶樣蛋白2 (lysyl oxidase-like 2，LOXL2)和細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶2(cyclin dependent kinase 2，CDK2)的表達(dá)增加來(lái)調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜周細(xì)胞生物學(xué)，改善周細(xì)胞變性和血管功能障礙。因此，利用circZNF532誘導(dǎo)或miR-29a-3p拮抗的方法可以治療DR。

2.2.2circRNA參與調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞功能Zou等[15]研究表明，通過(guò)對(duì)沉默circCOL1A2、減少其對(duì)miR-29b的海綿樣吸附，從而增強(qiáng)miR-29b表達(dá)來(lái)抑制血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表達(dá)，來(lái)抑制高糖誘導(dǎo)的人視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human retinal microvascular endothelial cells，hRMECs)的增殖、遷移、血管通透性增加和新生血管生成，該研究提示靶向調(diào)控circCOL1A2可能成為DR的治療手段之一。

Zhu等[16]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病條件下miR-20b-5p上調(diào)可促進(jìn)hRMECs的增殖、遷移和管狀形成，circDNMI3B作為miR-20b-5p的海綿被下調(diào)。過(guò)表達(dá)circDNMI3B可減少糖尿病大鼠視網(wǎng)膜無(wú)細(xì)胞毛細(xì)血管數(shù)量，減輕視覺(jué)損傷。該研究揭示了circDNMI3B和miR-20b-5p在DR患者增生性纖維血管膜中的表達(dá)變化，為DR提供了一種潛在的治療策略。

Liu等[17]首次闡明了circ_0002570在DR發(fā)病機(jī)制中的分子機(jī)制，在DR患者和高糖誘導(dǎo)的hRMECs中，miR-1243、circ_0002570和血管生成素均異常表達(dá)。circ_0002570可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR-1243抑制其表達(dá)從而上調(diào)血管生成素，介導(dǎo)了高糖誘導(dǎo)的hRMECs功能障礙。因此可通過(guò)調(diào)節(jié)circ_0002570-miR-1243-血管生成素軸來(lái)治療DR。

Zeng等[18]研究表明circ_0001879與miRNA-30-3p競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，抑制其活性，從而導(dǎo)致視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管功能障礙。因此可以通過(guò)沉默circ-0001879靶向miR-30-3p來(lái)調(diào)節(jié)hRMECs的功能，抑制高糖條件下hRMECs的增殖和遷移，circ-0001879可能成為DR的一種潛在標(biāo)志物和分子治療靶點(diǎn)。

2.2.3circRNA參與調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞功能Sun等[19]研究發(fā)現(xiàn)hsa_circ_0041795在高糖誘導(dǎo)的人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞-19(adult retinal pigment epithelial cell-19，ARPE-19)中表達(dá)明顯上調(diào)，而miR-646表達(dá)下調(diào)；并發(fā)現(xiàn)下調(diào)hsa_circ_0041795顯著抑制了ARPE-19細(xì)胞中炎癥因子，如TNF-α、白細(xì)胞介素-1β(interleukin 1β,IL-1β)和白細(xì)胞介素-6(interleukin 6,IL-6)的表達(dá)。其機(jī)制可能是下調(diào)hsa_circ_0041795，海綿樣吸附miR-646能力減弱，miR646的表達(dá)顯著增加，促進(jìn)ARPE-19細(xì)胞增殖提高外屏障功能、改善炎癥和細(xì)胞凋亡，因而在DR的治療中顯示出新的潛力。

細(xì)胞凋亡、炎癥和氧化應(yīng)激是DR進(jìn)展的標(biāo)志，Li等[20]發(fā)現(xiàn)circRNA_0084043通過(guò)海綿樣吸附miR-140-3p和誘導(dǎo)RPE細(xì)胞中轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-α(transforming growth factor-alpha，TGF-α)基因表達(dá)來(lái)促進(jìn)DR的發(fā)展。miR-140-3p是circRNA_0084043的下游靶標(biāo)，它可以被circRNA_0084043負(fù)調(diào)控；circRNA_0084043 的缺失顯著增加了ARPE-19細(xì)胞存活率并抑制了高糖誘導(dǎo)的ARPE-19細(xì)胞損傷及凋亡，并降低了炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激的各項(xiàng)指標(biāo)。這項(xiàng)研究可能為臨床治療DR在血-視網(wǎng)膜外屏障方面提供了新的線索。

總之，circRNA 可以作為關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)性?xún)?nèi)源RNA發(fā)揮作用，它可以海綿樣吸附相應(yīng)的miRNA并影響包括DR在內(nèi)的多種疾病的病理發(fā)展變化過(guò)程。已有研究證實(shí)circRNA在DR中發(fā)揮重要作用，但目前的研究仍顯不足，上述circRNA作用機(jī)制尚未確切闡明，還有大量circRNA的功能在視網(wǎng)膜微血管病變中未被驗(yàn)證；但是circRNA與miRNA在調(diào)控DR發(fā)生發(fā)展中的相互作用機(jī)制已出現(xiàn)新的端倪。

3結(jié)論與展望

根據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)(international diabetes federation，IDF)的報(bào)告[21]，2019年全球有4.63億人患有糖尿病，預(yù)計(jì)到2040年這一數(shù)字將上升到6. 45億。糖尿病及相關(guān)并發(fā)癥的控制必將成為醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)。

雖然已發(fā)現(xiàn)多種circRNA對(duì)DR病理過(guò)程具有調(diào)控作用，但其在多個(gè)研究方向尚處于空白，如circRNA對(duì)DR調(diào)控的確切作用靶點(diǎn)、同一circRNA在不同條件下其作用不同的原因，以及在人體不同組織中的作用有何異同等。但有理由相信，隨著科技的發(fā)展，circRNA將成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)疾病的一個(gè)創(chuàng)新靶點(diǎn)，circRNA在人類(lèi)疾病中的意義將被越來(lái)越多的研究詮釋。circRNA作為一種新型的內(nèi)源性非編碼RNA，可能在各種眼病[22-25]的病變進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，包括翼狀胬肉、白內(nèi)障、青光眼、DR、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤、年齡相關(guān)性黃斑變性和同型半胱氨酸血癥引起的眼病。Guo等[26]總結(jié)多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn) circRNA在不同眼病中表現(xiàn)出不同的作用和表達(dá)模式，在體內(nèi)的失調(diào)似乎與許多生物學(xué)過(guò)程有關(guān)，如生存能力、增殖和細(xì)胞凋亡等。但是目前用于識(shí)別和驗(yàn)證circRNA的技術(shù)在很大程度上仍處于實(shí)驗(yàn)階段，方法仍有待標(biāo)準(zhǔn)化。因此，circRNA靶向干預(yù)雖然可能是一種有前途的治療糖尿病相關(guān)性眼病(包括視網(wǎng)膜微血管病變)的方法，但是還需要進(jìn)一步的深入研究，期待未來(lái)有更多的研究證實(shí)circRNA在眼病診治中的作用，以實(shí)現(xiàn)circRNA成為眼病診斷和預(yù)后評(píng)估新的生物標(biāo)志物、治療靶標(biāo)。