环状RNA及其生物学功能概述

靳 伟 张瑞芝 常翠芳

(河南师范大学生命科学学院 新乡 453007)

在真核生物细胞中，编码蛋白质的RNA (mRNA)只占基因组的2%左右，其余的为非编码RNA (non-coding RNAs，ncRNA)。研究表明，ncRNA也参与调控机体生理过程中各种基因的表达，具有重要的生物学功能[1]。目前对包括微小RNA (microRNA，miRNA)和长链非编码RNA (long non-coding RNA，lncRNA)在内的ncRNA的研究大部分集中于生理过程和常见疾病的分子机制。近年来，随着RNA测序(RNA sequencing，RNA-seq)技术的发展和应用，一类广泛存在于多种生物细胞、能调控基因表达的内源性非编码环状RNA(circular RNA, circRNA)逐渐受到广泛关注，已经成为ncRNA研究的热点[2]。

1 circRNA简介

1.1 circRNA的发现 1976年，Kolakofsky等和Sanger等用电镜等技术在感染植物的类病毒(viroids)及副流感病毒(sendai virus)颗粒中首次观察到circRNA。之后，研究人员又在动物细胞和酵母中发现了circRNA，但鉴于当时生物技术的局限性和circRNA分子结构的特殊性，circRNA被认为是错误剪接或剪接过程中形成的副产物。直到2012年，Salzman等对circRNA进行了比较全面和系统的研究后，才开始重新认识并深入研究circRNA。近年来，随着新一代高通量测序技术和分子生物学技术的不断进步，陆续在人、小鼠、大鼠、斑马鱼、果蝇、线虫、原生生物(疟原虫等)、植物(拟南芥等)和真菌(酿酒酵母等)等发现了大量保守而稳定的circRNA[3]。

1.2 circRNA的主要特征 circRNA有着特殊的结构和产生方式，主要特征包括： ①由特殊的可变剪切产生，大量存在于真核细胞的细胞质中，但少部分内含子来源的circRNA则存在于核内，具有一定的组织、时序和疾病特异性；②广泛存在于真核细胞中，部分基因的circRNA表达水平甚至比mRNA高10倍以上；③与传统的线性RNA (linear RNA)不同，circRNA分子呈封闭环状结构，不具有5′末端帽子和3′末端poly(A)尾巴，比线性RNA更稳定，不易被核酸外切酶(RNase R)降解，其半衰期可超过48h，而mRNA平均只有10h[4]。

1.3 circRNA的类别 理论上，circRNA可以产生于基因组的任何区域。一个circRNA通常由1～5个外显子和/或1～2个内含子组成，可能同时含有编码区或非编码区成分。根据组成不同可以将circRNA分为内含子环状RNA (intronic circRNA)、外显子环状RNA (exon circRNA)、外显子—内含子环状RNA (exon-intron circRNA)和基因间区环状RNA (intergenic circRNA)4个类别[5]。

2 circRNA的形成机制

随着研究的深入，circRNA形成的机制逐步被揭示，产生了很多推测和假说。circRNA产生方式包括外显子环化和内含子环化。

2.1 外显子环化机制 真核细胞中的外显子环状RNA形成与反向剪接(back-splicing)密切相关。经典剪接是通过剪接体去除mRNA前体内的内含子，然后将外显子进行拼接，形成有功能的线性mRNA。而反向剪接是将下游的5′剪接位点与上游的3′剪接位点通过共价键连接形成外显子环状RNA。虽然其具体的反向剪接环化机制尚未完全阐明，但目前提出了两种公认的模型进行解释： ①直接反向剪接。这种形成方式主要是5′内含子的一个分支点结合3′内含子的剪接供体，接着3′剪接供体通过结合5′剪接受体完成反向剪接，形成circRNA；②外显子跳读。这种方式主要是一个外显子跳读导致了包含一个外显子的套索的形成，然后套索自身剪接，通过移除内含子序列产生circRNA[6]。

2.2 内含子环化机制 Zhang等提出了内含子自身环化产生环状RNA模型，即内含子也可以独立形成circRNA。Abdelmohsen等提出RNA结合蛋白(RNA binding protein，RBP)相互作用可以在侧翼内含子之间形成RBP桥，使得剪接供体和剪接受体接近，形成circRNA。在某些古生菌中，circRNA来自于rRNA加工过程中的中间体或者tRNA内含子剪接产物[7]。

3 circRNA的生物学功能

近年来，circRNA在生物体中的功能不断被发现和证实，包括吸收miRNA的海绵作用、调节转录和剪接、与RBP相互作用、参与假基因形成等。以下分别对含有内含子序列和含有外显子序列的circRNA的生物学功能进行叙述：

3.1 含有内含子序列的circRNA 这种circRNA主要分布在细胞核，可以与RBP结合影响亲本基因表达。同时，在环状RNA的形成过程中，内含子间竞争性互补配对可以与线性RNA分子之间形成平衡，能影响mRNA的表达，甚至蛋白质的翻译[8]。

3.2 含有外显子序列的circRNA 主要发挥吸收miRNA的海绵功能[9]。例如，Hansen等研究发现，小脑变性相关蛋白1反义转录物(antisense to the cerebellar degeration-related protein 1 transcript，CDR1as)环化形成circRNA，其序列包含73个miR-7的结合位点(seed binding sites)，CDR1as通过结合位点与miR-7相互作用，调节miR-7靶标的表达水平。后来的研究发现，大多数circRNA并不像CDR1as那样在序列上存在多个相同的某种miRNA结合位点，而是具有不同种类的miRNA结合位点，circRNA发挥海绵作用时，既可以与一种miRNA相互作用，也可以与多种miRNA相互作用。例如，Yang等研究证明，叉头框O3环状RNA(circular forkhead box O3，circ-FOXO3)可吸附8种不同miRNA，调节叉头框O3(forkhead box O3，FOXO3)基因的活性，从而抑制肿瘤生长和血管生成[10]。

4 circRNA与疾病的关系

circRNA结构和功能研究发现，在某些疾病的发生发展过程中cincRNA起着重要的调控作用。目前有关circRNA与疾病关系的研究主要集中在circRNA与癌症之间有何关联方面，但也有相关文章报道circRNA与心血管疾病、糖尿病、朊病毒病、病毒性肝炎、神经系统疾病以及骨关节炎等密切相关[11]。最新研究显示，circRNA与一些常见癌症如胃癌、肝癌、结肠癌、食管癌、卵巢癌、脑胶质瘤、非小细胞肺癌、乳头状甲状腺癌、急性髓系白血病、乳腺癌和食道癌等的形成有关，且与癌旁非肿瘤组织相比，circRNA在癌症组织中表达异常[12]。这些异常表达的circRNA能通过干扰miRNA或参与其他生物学过程来影响癌症的发生。例如，Li等研究发现，hsa_circ_002059作为一种典型的环状RNA，其在胃癌组织中的表达水平低于癌旁非肿瘤组织，这种过低表达与胃癌转移、肿瘤发展程度以及性别与年龄密切相关；Yu等发现一种经典miRNA“海绵”CDR1as在肝癌中高表达，并通过抑制其靶标miRNA-7促进癌症进展；Hansen等已经证实CDR1as在小鼠脑组织中共表达时可影响中脑的发育[13]；Ghosal等预测CDR1as也可能与帕金森病有关： 高表达的miRNA-7在神经元细胞中破坏可生成多巴胺的细胞结构，可导致帕金森病的发生；Xu等发现，CDR1as与miRNA-7结合后，可抑制miRNA-7的表达，导致胰岛素分泌明显增加，有利于糖尿病治疗[14]；Li等发现，外泌体中含有丰富且性质稳定的circRNA (exosome circRNA，exo-circRNA)，癌症患者和健康人血清中多种exo-circRNA的表达量具有明显差异，可据此将患者和正常人区分开[15]。

5 结语

近年来随着生物测序技术的发展，越来越多的circRNA逐渐被发现，同时有关circRNA的起源、特征、作用以及其与疾病的关系方面的报道也越来越多，但是目前大部分相关研究还处于探索阶段[16]。circRNA研究成为了ncRNA调控疾病和生理过程研究的热点，以circRNA为基础的诊断和疾病治疗研究也必将成越来越多地受到学界的关注。