环状RNA与脑血管疾病关系的研究进展

付雪雯 综述 余素，周敬华 审校

三峡大学第一临床医学院 宜昌市中心人民医院神经内科，湖北 宜昌 443003

环状 RNA(circularRNAs，circRNAs)作为非编码RNA，由于其含量丰富、稳定性高、组织特异性强，近年来已成为研究热点。作为竞争性内源RNA，circRNAs在细胞基因表达中起着miRNA“分子海绵”的重要作用，其中大多数在转录或转录后水平上对基因表达起调节作用，少数可编码为多肽。circRNAs与miRNA的结合能力在竞争性内源RNA中最强，被称为“超级海绵”，其重要功能已在各种疾病的研究中被证实，包括肿瘤、心脏病、糖尿病、关节炎和阿尔茨海默病等。目前的研究表明，circRNAs在血管内皮细胞、平滑肌细胞、炎性氧化应激、缺血再灌注和低密度脂蛋白代谢中起着重要的调控作用，这有助于揭示它在脑血管疾病发病机制中的作用。因此，circRNAs有望成为脑血管疾病领域的潜在标志物和药物靶点，为脑血管疾病的发生、发展、诊断、治疗和康复提供新的思路。为了研究circRNAs在脑血管疾病机制中的作用，本文予以综述如下：

1 circRNA的识别

40余年前，有学者通过电子显微镜观察到真核细胞的细胞质中存在环形的RNA[1]。然而，当时科学界只认为circRNAs是一类由于外显子在转录过程中错误剪接而形成的异常产物[2]，因此很少有人对其进行研究。随着转录测序技术(RNA-seq)和生物信息学的发展，许多之前认为“垃圾”RNA被证实具有重要的生物学功能[3]，如长链非编码RNA、miRNA和细胞内小核RNA(snRNA)。

2013年一篇研究论文指出，在人类成纤维细胞中存在多达25 000个circRNA，并参考人类白细胞数据库，通过RNA序列数据鉴定了1 950个人体circRNAs，使circRNAs成为继miRNA和长链非编码RNA之后RNA研究领域的新热点[4]。由此可见，circRNAs并不像以前想象的那样罕见，它存在于大量真核细胞中，并于神经系统中高表达，通过对血管内皮细胞、低密度脂蛋白代谢、平滑肌细胞、炎性氧化应激、缺血再灌注等机制的调节，参与卒中后多个病理生理的变化[5]。

2 circRNA的来源和特征

circRNAs是特殊的非编码RNA，以闭合环状结构命名，其环状二级结构是由单链线性转录产物以反转录和共价键的形成而产生，其结果是一个封闭的非聚腺苷环状转录产物[6]。随着生物信息技术的进展，circRNAs的形成机制和生物学特性越来越被学者所熟知。根据不同的遗传来源，circRNAs可分为五种类型：(1)从外显子衍生circRNAs，由外显子正向跳跃式剪切其同源受体和供体而形成；(2)外显子与内含子共同衍生的 circRNAs(exon-intron circRNAs，ElciRNAs)，内含子可与环化的外显子互补序列区域配对，主要存在于细胞核中[7]；(3)从内含子衍生的circRNAs由内含子的5’端供体位点及相邻分支的核苷酸序列形成[8]；(4)依赖于RNA结合蛋白(RBPs)模式；(5)依赖于其他环化模式，如编码区、基因间区、反义链、未翻译序列等[9]。

circRNAs的主要特征是：(1)广泛存在于各种真核生物中，包括人体的心脏、肝脏、肾脏、骨骼系统、神经组织等[10]，还存在于细胞质、血清外体和人体体液中。研究发现，circRNAs在古细菌细胞中也很普遍，其含量比线性RNA高达10倍；(2)具有很强的稳定性，其独特的闭环结构由于没有5’端加帽与3’端加尾，使核糖核酸酶无结合靶点，而且circRNAs不易被降解，因此其稳定性是线性转录本的2.5～5倍[11]。同时，circRNAs的半衰期比miRNA的半衰期长达48 h以上；(3)具有时空特异性，在不同时间、不同组织中的表达也有显著差异。例如，circRims2是小鼠体内的一种circRNAs，它在大脑中的含量约是其他组织的20倍；(4)具有高度保守性，但有些可发生快速的进化；(5)作为竞争性内源RNA，在细胞中发挥miRNA分子海绵的作用；(6)大多数在转录后水平上对基因表达起调控作用，少数在转录水平上发挥作用。

3 circRNA的功能

circRNAs的功能主要依靠其独特的生物学性质。首先，可作为miRNA功能的调控因子，即分子海绵效应[12-13]，一些circRNAs有许多miRNA结合位点，可以通过选择性应答调节miRNA的表达水平或活性,从而对其靶基因的表达进行间接调控[14]。其次，circRNAs还可以通过碱基互补配对直接调控其他RNA的表达水平，结合RBPs调控蛋白质功能，如结合转录因子抑制基因的转录。目前已发现，脂多糖能诱导巨噬细胞表达circRNA-RasGEF1B(RasGEF结构域家族成员1B)，巨噬细胞中circRNA-RasGEF1B的敲除导致脂多糖诱导的细胞间黏附分子-1表达减少，其通过调节细胞间黏附分子-1的稳定性来实现[15]。虽然circRNAs属于非编码RNA，但也有少数circRNAs可以编码多肽，从而完成其调控功能。近年来，有学者发现circRNA circ-znf609参与肌肉生成过程中的蛋白翻译[16]，并在果蝇大脑中发现大量基于核糖体足迹的circRNAs直接翻译蛋白或多肽[17]。大脑circRNAs的基因本体分析显示，突触蛋白承载了circRNAs的大部分基因编码，许多脑circRNAs在突触体和显微结构的突触神经膜中高度富集，揭示circRNAs在中枢神经系统发挥着重要的功能[18]。

4 circRNA与脑血管疾病

circRNAs含量丰富且具有较高的组织特异性，已成为研究热点，在肿瘤、心脏病、糖尿病、阿尔茨海默病等多种疾病中扮演着重要的角色[19-20]，同时也与脑血管疾病的病理生理过程有密切关系。

4.1 circRNA调控动脉粥样硬化 缺血性脑血管病作为神经科常见的急症，往往缺乏有效的治疗方法，其特点是高发病率、高死亡率以及高致残率[21]。动脉粥样硬化是缺血性脑血管病的重要危险因素之一，是预防和治疗该病的关键[22]。9号染色体短臂的p21区(9p21)是与人类动脉粥样硬化相关的重要位点，周期蛋白所依赖的激酶4(ink4)基因的反义非编码RNA(ANRIL)基因位于p21区，其表达增加与动脉粥样硬化密切相关，而ANRIL能通过自发剪接形成环状ANRIL(circANRIL)[23]。此外，ANRIL也是炎症调节途径的一个组成部分，炎症被认为是动脉粥样硬化的病因之一[24]。DU等[23]研究发现，circRNAs可竞争性结合核糖体装配因子(PES1)，使巨噬细胞外切酶介导的rRNA加工成熟，影响核糖体的合成，导致核仁增加、体积减少和活化，从而影响血管内皮细胞的凋亡和炎症因子的产生，降低动脉粥样硬化的风险，因此，circRNAs可减少动脉粥样硬化的发病率。circRNAs hsa-circ-000595可以调节血管平滑肌细胞(VSMC)的凋亡，而VSMC的凋亡使动脉内斑块变薄、破裂[25]，促进动脉恢复原有弹性。SUN等[26]在不同的VSMC表型中检测circRNAs的表达，发现circ_RUSC2可促进miR661靶基因SYK的表达，从而调节VSMC增殖、凋亡、表型调节和迁移。这些发现表明circRNAs可抑制血管平滑肌细胞增殖、迁移和分泌，从而减少动脉粥样硬化的程度及斑块大小，延缓脑血管疾病的进展。

4.2 circRNA在血管狭窄中的作用 内皮细胞位于血管最内层，产生和分泌生物活性物质，对维持血管张力、调节血压和防止血栓形成具有重要作用，被视为抵御血管疾病的第一道防线。血管内皮细胞增生是大动脉狭窄和血管异常增生的首要因素[27]。GUOXI等[28]在探索circRNAs在高葡萄糖诱导的内皮细胞功能障碍中发现，共有214种circRNAs在高葡萄糖诱导的HUVEC中出现差异表达，经全面生物信息学分析，高葡萄糖诱导HUVEC差异表达的circRNAs在减轻血管内皮功能和血管再生损害中起重要作用。DUAN等[29]在大脑中动脉阻塞(tMCAO)小鼠模型中建立了一个circRNA-miRNA网络。从6个脑组织中共筛选出14 694个差异表达的circRNAs(DECs)，与无血管狭窄的模型相比，其中87个DECs呈显著差异(P＜0.05)。circRNA.17737、circRNA.8828和circRNA.14479表达显著上调，同时，上调的DECs曲线分析显示circRNA.17737可能是大脑中动脉狭窄诊断的潜在生物标志物[30]。HAN等[31]在tMCAO小鼠脑卒中模型中发现缺血脑组织中的环状RNA-Hect1(circHect1)水平显著升高，减少circhect1表达可显著降低tMCAO小鼠的梗死面积，减轻神经元损伤。

4.3 circRNA在高血压中的作用 高血压作为脑血管疾病的另一重要危险因素，也是动脉粥样硬化、周围血管疾病等的危险因素。最近研究证明，在高血压患者的各种组织、体液中均可检测到circRNAs。有学者在对100例高血压患者的病例研究中发现多达287个circRNAs存在，其中包括circRNAs的上调转录物及下调转录物[32]。研究组还发现hsa-circ-0037911与血清肌酐(scr)呈正相关，scr是高血压的已知危险因素[33]。内皮细胞功能紊乱与高血压密切相关，研究表明circRNAs的异常表达可影响内皮细胞的基因表达，在脑血管疾病的几个主要危险因素中具有调控作用，其中，circRNAs在血压稳态中的作用可能是通过对肾素-血管紧张素-醛固酮系统的影响。此外，还应考虑生活方式、炎症和疾病状态等对circRNAs调节高血压的影响[34]。大多数研究都集中在循环系统(血浆或血清)中的差异表达，但关于这些RNA在血液中来源的数据有限。因此，了解circRNAs在直接参与组织、器官调节血压中的作用，可以揭示它是如何导致高血压的发生和发展。

4.4 circRNA影响缺血性卒中后的炎症反应 缺血性卒中发生后，血液中的中性粒细胞活化并进入脑组织，分泌炎症因子，包括细胞因子、活性氧以及蛋白酶等，导致血脑屏障(BBB)破坏[35]。目前已知的中枢神经系统炎症机制包括神经炎症、氧化应激损伤、神经递质系统紊乱、线粒体功能障碍、脂质代谢紊乱和生长因子改变[36]，这些炎症反应导致脑组织水肿，加重神经功能损害。研究发现CircRNA-0044073可激活HUVSMCs和HUVECs的JAK/STAT信号通路[37]，且可能直接调控miR-107，从而导致JAK1/STAT3信号上调。而JAK1是启动许多炎症性疾病的关键因素，诱导IL-1β、IL-6和TNF-α的产生[38]。在STAT蛋白中，STAT3是全身炎症基因的激活因子，以激活形式存在于动脉粥样硬化病变的炎症区域，从而影响卒中后的功能恢复。此外，由核受体辅激活因子2(NcoA2)产生的circ-015350也可调节转录因子的活性，参与卒中后细胞凋亡和氧化应激等多种生物学过程[39]。因此，减少CircRNA-0044073和circ-015350对炎症因子的调控，可能减轻卒中后炎症反应，减少神经功能损害程度，为治疗卒中提供新的药物靶点。

5 展望

以上研究表明，不同来源的circRNA在血管内皮细胞、平滑肌细胞、炎性氧化应激及血管狭窄的调控中起着重要作用，有助于揭示circRNAs调控脑血管病发生与发展的分子机制。circRNAs作为一种非编码RNA，以其丰富性、高稳定性和组织特异性成为近年来的研究热点。由于circRNAs在动脉粥样硬化型缺血性卒中患者中的差异表达及病理生理机制研究尚处于早期阶段，许多circRNAs作用的特定通路及机制尚待进一步研究。例如，通过敲除circRNAs的特定表达，以确定circRNAs如何调节细胞通路，明确circRNAs对RNA的修饰是否发生，以及这些特征如何影响circRNAs功能，并开发新的生物信息学方法。对circRNAs的不断探索将有助于研究者们更好地理解大脑功能的异质性和动态性，同时，circRNAs以其独特的优势也有望成为脑血管病领域的潜在标记物和药物分子靶点，为脑血管病的发生、发展、诊断、治疗和康复提供了新的视角。