circRNA对动物骨骼肌发育调控的研究进展

杨海焱，陈 宏

(西北农林科技大学 动物科技学院 ,陕西 杨凌 712100)

环状RNA(circular RNA, circRNA)最早是由Sanger等1976年在研究马铃薯纺锤块茎病中发现的[1]，随后分别在1979年真核细胞细胞质中、1980年酵母线粒体中、1993年小鼠睾丸决定性别基因中和人体细胞中、2011年古生物细菌中发现了circRNA的踪迹。但直到2015年研究发现circRNA具有很多生物学特性并广泛存在于动植物细胞组织中，引起了研究学者们的广泛关注[2]。

circRNA是一类闭合的环状RNA分子，无3′端polyA结构及5′端帽状结构，长度在几百到几千个碱基不等，不受RNA外切酶降解，稳定且广泛地存在于生物界，具有进化保守性[3]。circRNA有许多的生物学效应，近年来研究最多的就是circRNA与microRNA(miRNA)结合的调控机制。经大量研究表明circRNA广泛参与了生物体增殖分化、信号转导等各个方面的调控。其中，circRNA作为转录后调控因子在动物骨骼肌发育中的作用及其相关调控网络已经开始进行广泛深入研究。

骨骼肌由肌纤维、结缔组织及少量的脂肪组织组成，约占脊椎动物总体重的40%[4]，是肉质研究的重要对象。骨骼肌的发育主要有成肌细胞的生成，成肌细胞增殖、分化并融合成肌管，肌管分化成为肌纤维这几个过程。动物骨骼肌的生长主要包括胎儿期发生的纤维数目增加和出生后原有肌纤维横截面积的变大这两部分构成[5]。

众多研究表明，以生肌转录因子PAX7和MyoD等为核心的调控网络在肌生成和肌再生过程起着关键作用。在非编码RNA领域，也已发现微小RNA(microRNA, miRNA)对肌肉发育具有重要的调控作用，且目前绝大多数研究都集中在miRNA在肌肉发育中的作用。长链非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)在转录、表观遗传和转录后水平调节肌生成和肌再生的研究越来受到关注。新兴的非编码环状RNA(circular RNA, circRNA)具有调控基因表达的功能，与miRNA有相同之处即具有组织表达特异性。在近几年的研究中也发现circRNA在动物骨骼肌发育中也起着一定的作用，例如circFGFR4促进成肌细胞分化并诱导细胞凋亡[6]，circFUT10促进肌细胞分化抑制肌细胞增殖并会诱导成肌肌细胞凋亡[7]，circSVIL在骨骼肌后期胚胎发育中具有高表达水平，可以促进成肌细胞的增殖和分化[8]等。骨骼肌发育的重要组成部分就是骨骼肌细胞的增殖和分化，而骨骼肌的再生和人肌肉相关疾病的治疗也由很大的联系，而肌纤维类型与肌肉品质也息息相关[9-10]，因此通过研究circRNA对骨骼肌细胞生长发育的调控机制，有利于人们对人骨骼肌相关疾病治疗以及畜禽肉品质改善进行更加深入的探究。

1 circRNA的来源与作用机制

1.1 circRNA的来源

circRNA的形成受到顺式作用元件和反式作用因子的调控，其选择性环化机制分为三类。在基因组中可以转录出circRNA的位置也可以转录出mRNA，根据circRNA的剪接来源不同，又可以分为外显子反向剪接而形成的外显子circRNA(exonic circRNA)、内含子来源的内含子circRNA(intron-circRNA)以及由外显子和内含子参与的外显子—内含子circRNA(exonic intron circRNA)，这些circRNA分子间存在着一定的竞争关系，会影响mRNA的表达。circRNA的选择性环化机制可能需要一些因子参与调控，如RBPs等[11]。

1.2 circRNA的作用机制

1.2.1 circRNA海绵化miRNA 研究表明，circRNA的生物学功能是多样的，包括miRNA或RBPs的分子海绵、调控选择性剪接和翻译的基因表达模板，以及有可能的其他未知作用[12]。目前，circRNA作为miRNA的海绵的特性已经得到了广泛研究。miRNA作为非编码RNA的一员，人们已经对其进行了深入研究，研究表明miRNA可以与mRNA的3’UTR区的靶点结合，在转录后基因调控中发挥着重要作用，也有研究表明miRNA在动物骨骼肌生长发育过程中也起着一定的作用，而circRNA又可以作为miRNA的海绵。基于这些线索，circRNA可能在动物骨骼肌的生长发育以及肉品质方面发挥着重要作用。

1.2.2 circRNA与RNA结合蛋白质相互作用 经研究发现部分的circRNA具有与蛋白质结合的功能，即可以通过特定靶点与蛋白质结合从而影响蛋白质的功能。例如细胞分裂蛋白激酶2(CDK2)可以促进细胞分裂，属于细胞周期蛋白依赖性激酶，而circFoxo3可以与激酶抑制剂蛋白(p21)和CDK2结合，形成circFoxo3-p21-CDK2，抑制CDK2的功能，阻断细胞周期进展。

1.2.3 circRNA调控基因表达 circRNA可以通过调控转录来调节基因的表达，如对来源于锚蛋白重复结构域52(ANKRD52)基因第2个内含子产生的circ-ankrd52(锚蛋白重复序列结构域的蛋白质)研究发现，通过反义寡核苷酸封闭circ-ankrd52的表达，会导致ankrd52 mRNA的表达量显著降低[13]。除此之外，含内含子序列的circRNA通常位于细胞核内，发挥基因转录调控功能。上述的circ-ankrd52主要存在于细胞核内，可促进RNAPolⅡ对ANKRD52的转录[14]。

1.2.4 circRNA具有翻译蛋白质的功能 真核细胞蛋白质合成的起始复合体的组装需要识别mRNA的5’端帽子，因此真核生物蛋白质的合成主要是通过5’帽依赖性翻译途径。但也有例外，比如在应激条件下，细胞可以依赖于内部核糖体进入位点(IRES)等调控元件启动非帽依赖性蛋白质翻译[15]。由于所研究的circRNA不具有5’帽子和3’尾巴，因此曾被认为其不能合成蛋白质，但近几年经研究学者们研究发现部分circRNA可以通过非帽依赖性翻译机制来编码蛋白质。目前，一共发现了四种circRNA编码蛋白质的方式。

2 circRNA对骨骼肌细胞增殖分化及凋亡的研究

2.1 circRNA对骨骼肌细胞增殖的调控

根据预测结果推测，与肌肉相关的30种上调的circRNA可能是ceRNA网络中的一部分，涉及了91个miRNA和核心肌源性因子，例如肌生成素，肌细胞增强因子2a，肌球蛋白重链(Myh1，Myh7和Myh7b)[16]。研究表明，在骨骼肌发育的过程中，有些circRNA具有促进动物骨骼肌增殖的作用。如circLMO7的过表达抑制了原代牛成肌细胞的分化，并且似乎充当了miR-378a-3p的竞争内源RNA，后者参与了牛的肌肉发育。此外，它促进成肌细胞的增殖并保护它们免于凋亡[17]。circHUWE1通过海绵化miR-29b(靶向AKT3)间接激活AKT信号通路，促进成肌细胞增殖，减少细胞凋亡和分化[18]。此外，研究circSVIL发现其可以充当miR-203的海绵来拮抗其功能，促进成肌细胞的增殖和分化[8]。circRNA可以通过直接或间接的方式来调控肌肉发育相关的基因，且加深了circRNA对骨骼肌细胞增殖的调控作用及机制的理解。

2.2 circRNA对骨骼肌细胞分化的调控

通过circRNA调控基因表达是调控动物骨骼肌分化的组成部分，如circFGFR4促进成肌细胞分化并诱导细胞凋亡，circFGFR4的过表达增加了Wnt3a的表达，而miR-107取消了这种作用。这些结果表明，circFGFR4结合miR-107促进细胞分化[6]。circFUT10诱导牛原代成肌细胞分化，增加了细胞周期G0/G1期成肌细胞的数量，并降低了S期细胞的比例并通过直接结合miR-133a和抑制miR-133a活性来调节成肌细胞的分化和细胞存活[7]。circCDR1as通过与miR-7竞争性结合，使得miR-7导致的IGFR(胰岛素样生长因子1受体)下调，从而激活肌肉分化[19]。

3 展望

circRNA是多种生物学通路的关键调节因子，在骨骼肌细胞增殖、分化及凋亡等方面发挥着重要作用。目前circRNA的应用主要集中在对各种肿瘤细胞的影响以及作为肿瘤细胞的分子标记物的应用。在动物骨骼肌方面也有了广泛研究，但还不够深入，将circRNA作为分子遗传标记应用在动物育种以及提高肉品品质是我们接下来要研究的一大课题。此外，目前已经发现circRNA可以编码蛋白质，而circRNA所编码的蛋白质的在动物骨骼肌发育方面的功能目前尚不清楚，为研究骨骼肌发育提供了新思路。