CircRNA的生物学功能及在呼吸系统疾病中的研究进展

孟丹丹，李宗新综述，张 诏，陶汉华审校

0 引 言

1976年环状RNA(CircRNA)在RNA病毒中首次被发现，之后被发现也存在于真核细胞中[1]，其作为一种内源性非编码RNA，成为继微小RNA(microRNA,miRNA)和长链非编码RNA(long noncoding RNA,lncRNA)之后RNA家族的新热点[2-3]。CircRNA结构上属于一种环状闭合的RNA，这种环状闭合结构使其在自身特性上具有高度的保守性、稳定性及疾病的特异性。这也提示CircRNA有作为疾病诊断、预后等方面评价生物标志物的潜力。呼吸系统疾病是全球范围内最常见的疾病之一，也是全球疾病主要死亡原因之一[4]。近年来越来越多研究表明，CircRNA与慢性呼吸系统疾病，如慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)、肺癌、肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension,PAH)、急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)等关系密切，这说明CircRNA在慢性呼吸系统疾病的发生发展及预后过程中均发挥着重要作用，未来很有可能成为呼吸系统疾病诊断治疗的新靶点。然而到目前为止，对于CircRNA在不同呼吸系统疾病中的作用相关综述或总结甚少，因此，本文概括了CircRNA生物学功能并对CircRNA在呼吸系统疾病中的研究进展作一综述。

1 CircRNA概述

研究表明人体内70%以上的基因可被转录，然而仅有1%～2%的转录体基因可被编码蛋白，其余大部分基因均为非编码RNA[5]。CircRNA是一种单链RNA分子，主要存在于细胞质中，其不具有5′末端帽子和3′末端尾巴，是种共价闭合的环状分子。与传统线性RNA不同的是，CircRNA因为其结构上的特异性使其在体内更加稳定保守，可对外切核酸酶(RNase)抵抗，不被降解[6]。这些非编码RNA由于自身的高度保守性，可影响生物学进程，包括各种肿瘤以及呼吸系统疾病。

2 CircRNA的生物学功能

Sanger等[7]借助显微镜观察到结构上呈环状的RNA，但是当时由于生物分析技术的发展限制普遍认为CircRNA不具有生物学功能。随后有研究证明，在真核细胞内有大量且各不相同的CircRNA，此外CircRNA数量大概是线性RNA10倍左右，这提示CircRNA可能具有潜在生物学方面的功能[8]。随着对CircRNA研究的不断深入，目前关于CircRNA的生物工能及形成机制逐步被揭示。主要形成机制包括外显子CircRNA(EcirRNA)、内含子CircRNA(CiRNAs)和外显子-内含子CircRNA(EIciRNAs)3种。CircRNA的生物学功能主要包括：miRNA海绵，与RNA结合蛋白(RNA binding protein, RBP)相互作用，蛋白质翻译功能，近期研究发现还有充当疾病分子标志物的功能。

2.1 充当miRNA海绵功能CircRNA海绵作用是最早被发现的功能，其充当miRNA海绵目前已成为研究热点。部分CircRNA含有许多miRNA结合位点，能与mRNA竞争miRNA,与miRNA结合从而发挥海绵作用，对靶基因的表达起调控作用[9]。miRNA属于线性非编码RNA,能吸附mRNA并促进其降解，是调节基因表达的分子。2013年两个团队发现并证明了CircRNA作为miRNA海绵发挥作用[10-11]，两个团队均发现ciRS-7/CDR1as和miR-7在神经组织中共表达，上调ciRS-7或者清除miR-7均会对斑马鱼中脑的生长发育造成损伤；此外还发现CircRNA ciRS-7/CDR1as含有70多个常规miR-7结合位点，这是ciRS-7发挥超级海绵作用的基础。Hansen等[11]研究发现小鼠睾丸特异性CircRNA(Sry)也能结合miR-138海绵发挥作用。然而近来研究发现，与ciRS-7相比，许多CircRNA并无与miRNA的结合位点，这说明真正意义上能充当miRNA海绵的CircRNA只占小部分。

2.2 与RBP相互作用CircRNA能在RBP的辅助作用下间接性调节基因转录。如CircRNA能与mRNA竞争性的结合RBP从而对mRNA的翻译产生影响。CircRNA还能充当RBP超级海绵，从而对RBP表达产生影响，同时还能调节靶基因翻译[12]。CircRNA又可与特定蛋白质相互作用并增强其功能，如含有U1小核糖核蛋白和其他蛋白质的RNA聚合酶Ⅱ复合物互作影响，以及将特定蛋白质招募到某些位点或亚细胞区；Li等[13]研究发现EliciRNA可与UsnRNP互作形成复合物，促进亲本基因的转录。CircRNA又被证明可作为蛋白质支架，通过和许多蛋白结合进而影响蛋白的功能。Du等[14]研究表明，circ-Foxo3通过与p21和CDK2蛋白结合形成三元复合物并阻止CDK2的功能，从而延缓细胞周期进程。

2.3 蛋白质翻译功能CircRNA编码蛋白的功能首次在丁型肝炎病毒中得到证实[15]。研究表明CircRNA有两种翻译机制，一是依赖内部核糖体进入位点，另一种是依赖N6-甲基腺苷甲基化修饰(m6A)，通过两种方式进一步启动翻译功能。人细胞内源性circRNA经过m6A修饰后能促进内源性circRNA的翻译[16]。一定条件下真核核糖体的40S亚基又能与CircRNA结合，这能使翻译功能直接开启[17]。有实验研究表明，CircRNA翻译后的产物可以参与机体多个生理进程，如能使线性翻译产物不被泛素蛋白酶降解[18]，对PI3K/AKT通路起调控作用[19]，以及对原癌基因的转录延伸起抑制作用[20]。

2.4 作为疾病分子标志物目前，CircRNA已经被证实与癌症、衰老以及其他慢性病密切相关，可作为疾病标志物对疾病进行诊断和检测。在果蝇实验中证明了CircRNA是衰老的标志物；此外，存在于人体唾液中的CircRNA也是潜在的疾病标志物[21-22]。近期有研究表明，大量的CircRNA还存在于外泌体中，这可当作疾病诊断的分子标志物[23]。在乳腺肿瘤组织中的circFoxo3表达下调，这表明其可能有抑制癌细胞活性及肿瘤生长的功能[24]；胶质母细胞瘤组织中的circ-FBXW7普遍下调，已证实其编码的FBXW7-185aa蛋白可以抑制胶质瘤细胞的增殖[25]。

3 CircRNA与呼吸系统疾病的关系

CircRNA主要存在于细胞质中，在不同组织及不同疾病中均有特异性表达，从而参与疾病的发生发展。CircRNA与不同的呼吸系统疾病密切相关，包括COPD、肺癌、ARDS、PH、肺结核等。目前大多数研究集中于CricRNA在肺癌中的作用，笔者总结了CircRNA在肺癌以及其他疾病中的作用，以便全面了解CircRNA在呼吸系统疾病中的作用。

3.1 CircRNA与COPD目前，有研究表明CircRNA在COPD患者的血清中有异常表达，与COPD的发展进程密切相关[26]。Hsa_circ_000360在香烟烟雾所诱导的COPD的小气道上皮细胞中显著下调[27];zhou等[28]研究发现circ-HACE1可作为miR-485-3p海绵，通过下调TLR4水平从而抑制COPD细胞模型中CSE诱导的细胞损伤；Qiao等[29]研究表明，circ-RBMS1通过充当miR-197-3p海绵促进CS诱导的上皮细胞凋亡、炎症及氧化应激，参与COPD发病过程；Hsa_circ_0006872在COPD患者中表达升高且与miR-145-5p水平呈负相关，其表达下调会影响HPMC和BEAS-2B细胞的凋亡、炎症和氧化应激，还能通过调节miR-145-5p抑制CSE引起的细胞损伤[30]。

3.2 CircRNA与肺癌研究表明，越来越多的CircRNA被验证参与了多种癌症进程。Chi等[31]发现CircRNA hsa_circ_103820可通过海绵作用结合其靶基因miR-200b-3p抑制肺癌细胞的增殖、迁移和侵袭，从而抑制肺癌的发展；hsa_circ_0002483通过靶向miR-182-5P抑制NSCLC在体内外的增殖侵袭[32]；circPTK2(hsa_circ_0008305)通过调节TIF1γ和NSCLC细胞上皮间质转移来抑制TGF-β诱导的EMT，这揭示了CircRNA调节TGF-β介导的EMT和肿瘤转移的新机制[33]。FOXM1诱导Circ-MMP2(circ-0039411)上调会促进肺腺癌(lung adenocarcinoma，LUAD)细胞的增殖、迁移和上皮间质转化(epithelial mesenchymal transformation，EMT),沉默FOXM1可消除LUAD细胞增殖迁移和EMT,并且抑制体内LUAD肿瘤的生长和转移，这为LUAD的治疗提供了新靶点[34]；CircRNA hsa_circ_0000326作为miR-338-3p海绵，并与miR-338-3p相互作用进而上调下游靶点RAB14的表达，从而参与了LUAD进展[35]；circTIMELESS可通过miR-136-5p/ROCK1轴调节肺鳞癌细胞(lung squamous cell carcinoma，LUSC)的增殖和侵袭，circusiment作为miR-136-5P的海绵并调节miR-136-5P表达，circTIMELESS有望成为LUSC的新治疗靶点。研究发现CircSLC25A16在非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)组织/细胞中表达升高，且与患者不良预后有关，进一步证明CircSLC25A16促进非小细胞肺癌细胞的增殖可能是通过促进糖解的方式在NSCLC中起癌基因的作用[37]。

Li等[38]研究发现circNDUFB2通过破坏IGF2BPs的稳定性及激活肿瘤免疫抑制NSCLC进展，机制是由三元复合物促进IGF2BPs泛素化降解，再激活RIG-1触发细胞免疫反应产生；Shen等[39]研究发现G蛋白偶联雌激素受体可通过调节YAP1/QKI/circNOTCH1/m6A甲基化NOTCH1途径促进NSCLC细胞生长，未来靶向分子很有可能成为抑制NSCLC发展的潜在治疗方法；Liang等[40]发现circDCUN1D4可通过稳定硫氧还蛋白互作蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)表达抑制LUAD的肿瘤转移和糖酵解，其中circDCUN1D4作为支架促进HuR蛋白和TXNIP mRNA之间的相互作用，从而增强TXNIP mRNA的稳定性。

3.3 Circ RNA与TB在全球范围内，结核病(Tuberculosis,TB)是一种由结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis，Mtb)引起的一种可传染的、危害人类健康的一类疾病。CircRNA广泛参与人体多种疾病进程，因此寻找CircRNA在结核病治疗中的新靶点势在必行。Luo[41]等研究表明CircRNA hsa_circ_0001380在活动性肺结核(active pulmonary tuberculosis, APTB)患者外周血中表达下调，可作为APTB的诊断生物标志物；Huang等[42]研究发现miR-224-5p、miR-324-5p和miR-488-5p是CircRNA-0003528的ceRNAs，肺结核患者血浆中CircRNA-0003528表达上调与miR-224-5p、miR-324-5p和miR-488-5p下调、以及CTLA4上调促进结核相关巨噬细胞的极化有关；Deng等[43]研究表明Circ_0001490在结核患者和Mtb感染的THP-1巨噬细胞血清样本中表达下调，Circ_0001490过表达部分通过靶向miR-579-3p/FSTL1轴抑制Mtb的存活，促进THP-1巨噬细胞的存活和炎症反应。

3.4 CircRNA与PAH肺动脉高压(pulmonary Arterial hypertension，PAH)是指肺动脉压力升高到一定阈值以上的一种血流动力学和病理生理状态。目前研究发现，许多非编码RNA都参与PAH的病理过程。Zhou等[44]研究发现，PAH的血管重塑与hsa_circ_0016070通过miR-942/CCND1促进肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cell，PASMC)的增殖有关，CCND1通过血管重塑参与了PAH发病；Zhang等[45]研究发现circ-calm4作为miR-337-3p海绵调节Myosin10表达，通过调控细胞周期进程抑制PASMC增殖，为PAH的早期诊断及治疗提供靶点；Ma等[46]发现circ CDR1as作为miR-7-5p海绵减弱其下游靶基因CAMK2D和CNN3抑制作用，增加缺氧时HPASM钙化。Wang等[47]通过进行CircRNA微阵列检测缺氧诱导PH小鼠肺中失调CircRNA,通过CircRNA-miRNA mRNA网络分析、基因本体论和京都基因和基因组百科全书分析来进一步了解相关机制和途径，失调的CircRNA可能在缺氧诱导的PH发病机制中起关键作用，并有可能成为治疗的潜在靶点。以上研究表明，CircRNA在PAH的发展中具有潜在作用，但对于失调的CircRNA仍缺乏更深入的功能和机制方面的研究。

3.5 CircRNA与ARDS急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)属于严重的急性肺损伤(acute lung injury，ALI)阶段或类型，以顽固性动脉低氧血症和呼吸衰竭为特征的一种致命呼吸系统疾病。CircRNA作为miRNA海绵，可能从一个新的角度帮助我们开发ARDS的有效治疗方法。研究表明，miR-155和miR-17等miRNA在ALI的发展和治疗中起着关键作用[48]。Tang等[49]发现Circ 0001434通过miR-6255p激活Wnt/β连环蛋白/NF-κB介导ALI诱导的肺部炎症抗，故抗-circ 0001434可通过抑制NF-κB和激活Wnt/β-catenin通路的抗炎作用从而成为治疗ALI的有效药物；Yang等[50]发现circ_0054633的沉默通过NF-κB信号通路减轻脂多糖诱导的ALI模型的炎症和增殖，说明circ_0054633可能是ALI诊断和治疗的潜在生物标志物；Ye等[51]发现由吸入烟雾引起ALI后大鼠肺中有10种差异表达的Circ RNA，这些不断变化的CircRNA提高了对ARDS/ALI中CircRNA的分子机制和生物学功能的理解，但是后期还需要确定其作用机制以及进一步验证ARDS/ALI患者。

4 结语与展望

CircRNA作为RNA家族中具有潜在调节功能的成员，已经引起了呼吸系统疾病研究者们越来越多的关注。CircRNA在呼吸系统疾病中的潜在应用可分为两种方式，一种是成为不同呼吸系统疾病诊断及预后的重要生物标志物，另一种是通过调节细胞内CircRNA的表达成为某些疾病特殊治疗靶点。CircRNA在不同的呼吸系统疾病有重要价值，尤其是对肺癌的研究更是意义重大。本研究旨在关注CircRNA功能以及在呼吸系统疾病中的潜在意义，并为临床慢性呼吸系统疾病的诊断治疗及预后评估作一参考。然而，关于CircRNA在呼吸系统疾病中作用研究才刚刚开始。目前研究的广度和深度都是有限的，对于探索CircRNAs在呼吸系统疾病中的作用我们仍然面临许多挑战。CircRNA目前已成为人类疾病研究的主要焦点，在不久的将来，它们在呼吸系统疾病的诊断、治疗和预后方面具有很高的特异性，在疾病的诊断治疗及预后方面都将具有广阔的前景。