环状RNA参与调控糖尿病视网膜病变的研究进展

何润西，徐铭超，黎晓冬，武海燕，谢学军

0引言

糖尿病性微血管病变是糖尿病常见慢性并发症之一，糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)属于糖尿病性微血管病变，是一种影响视力甚至致盲的慢性进行性疾病[1]。有研究显示，在DR患者视网膜中有529个环状RNA(circular RNA，circRNA)差异性表达，circRNA可能参与DR的发病机制，是DR诊断的潜在生物标志物[2]，目前聚焦在circRNA调控DR的研究甚少。本文拟对circRNA的结构特点与生物学功能及其作为竞争性内源RNA(competitive endogenous RNA，ceRNA)与微小RNA( microRNA，miRNA)共同参与DR发生发展过程中的分子机制、调控作用及其治疗前景进行综述。

1 circRNA概述

circRNA是一种新型RNA分子、一种特殊的非编码内源性RNA(non coding endogenous RNA，neRNA)，其广泛存在于真核生物中，并在不同物种间均有发现[3]。由于circRNA具有共价封闭的环状结构，因而具有稳定性、且功能复杂，在组织或疾病中具有特异性表达，与多种疾病的发生发展相关。根据circRNA在基因组位置的不同，circRNA可分为一个外显子、多个外显子、内含子、外显子-内含子、基因间和反义circRNA等几种类型[4]。

circRNA的生物学功能[5]主要有：(1)因含有miRNA响应元件(miRNA response element，MRE) ，可作为ceRNA结合miRNA，抑制miRNA与细胞质中信使RNA(messenger RNA，mRNA)结合，从而调控基因表达；(2)调控基因转录；(3)蛋白质吸附；(4)其他：选择性剪切作用，蛋白质翻译等。

2 circRNA与DR

2.1circRNA在DR中的调控作用血-视网膜屏障(blood-retina barrier，BRB)由内屏障和外屏障组成。视网膜毛细血管内皮及其连接形成血-视网膜内屏障，视网膜毛细血管分布在视网膜内6层，属连续型毛细血管，由内皮细胞、周细胞和基膜构成，周细胞[6]是沿毛细血管壁和毛细血管后小静脉间隔存在的细胞，位于内皮细胞外侧。周细胞和内皮细胞间相互作用对维持血管稳态至关重要。而视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)位于视网膜外层，形成BRB，RPE细胞除了有选择性通透性外，也能够主动运输。DR的主要病理改变为视网膜微血管基底膜增厚、内皮细胞及周细胞等发生炎症反应甚至凋亡、RPE细胞功能损伤或丢失、微血管通透性增加、病理性新生血管增生等，与内外屏障功能被破坏均有关系。

研究发现，circPWWP2A与DR具有明显相关性，是周细胞内特异性的circRNA分子，糖尿病导致其在周细胞内表达应激性地升高，而在内皮细胞中表达无显著差异[7]。Liu等[8]研究显示，circPWWP2A可通过外泌体从周细胞转移到内皮细胞，circPWWP2A摄取异常可导致周细胞-内皮细胞间相互作用异常及视网膜血管功能障碍，提示circPWWP2A可能是DR发病机制的重要调节因子之一。同样也有研究显示，circZNF532在高血糖应激下的周细胞、糖尿病小鼠模型的视网膜血管和糖尿病患者的玻璃体中的表达上调[9]。circZNF532可维持周细胞功能、促进周细胞的增殖、维持微血管稳态，保护其免受高糖刺激，并延缓视网膜血管功能障碍的进展。Zhou等[10]研究circ-ITCH在糖尿病RPE细胞中的生物学效应并探讨其潜在作用机制，发现在糖尿病大鼠RPE细胞中circ-ITCH的表达显著低于正常大鼠。糖尿病诱导RPE细胞中与炎症、BRB破坏、新生血管形成相关的因子基质金属蛋白酶-2 (Matrix metalloproteinase-2，MMP-2) 、基质金属蛋白酶-9 (Matrix metalloproteinase-9，MMP-9) 和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)增加，但体外实验证实过表达circ-ITCH对这些因子产生抑制作用。

2.2circRNA与miRNA在调控DR中的相互作用circRNA最突出的功能是其作为miRNA海绵通过抑制miRNA活性来调节靶基因表达[11]：circRNA是一种竞争性内源RNA(ceRNA)，含有多个MREs，可以与多个miRNA结合；circRNAs竞争性结合(海绵样吸附)miRNA，则可影响miRNA的活性；解除miRNA对其靶基因的抑制作用，从而促进靶基因的表达。circRNA可以拥有多个miRNA的MREs，也可以拥有单个miRNA的多个结合位点。

大多数circRNA存在于细胞质中，在细胞核中可以检测到部分circRNA的存在，这些 circRNA可与宿主基因启动子区的RNA聚合酶Ⅱ反应，调控基因的转录[12]。并且，circRNA 不仅具有miRNA的结合元件，而且还具有蛋白质的结合位点[13]，当circRNA与靶蛋白结合时，也会对这类蛋白加以调控。

miRNA与视网膜微血管病变的关系是目前研究的热点之一。He等[14]通过RNA测序和生物信息学分析比较了增殖性糖尿病视网膜病变(proliferative diabetic retinopathy，PDR)与非糖尿病患者玻璃体中circRNA表达谱的转录水平，结果显示：与对照组相比，PDR组共检测到122个上调的circRNA和9个下调的circRNA，818个上调的miRNA和864个下调的miRNA；进一步对circRNA和miRNA相互作用分析显示，每个circRNA都可以与至少5个miRNA相互作用，其中部分miRNA在DR组中发生下调，其对DR的发生和发展至关重要。

circRNA与miRNA在生物体内的调控平衡一旦被打破，会导致细胞功能紊乱和疾病的发生。circRNA作为竞争性内源RNA在视网膜微血管病变中的主要机制如下。

2.2.1circRNA参与调节视网膜周细胞功能近期研究发现circPWWP2A与视网膜微血管病变具有明显相关性[7]：在体内、外高糖环境下，circPWWP2A的表达水平均显著上调，circPWWP2A通过海绵样吸附miR-579以发挥ceRNA的作用，导致下游靶基因Angiopoietin 1/ Occludin/ SIRT 1表达的增加，进而参与调控DR周细胞功能及周细胞与内皮细胞间的相互作用。该研究表明，可以通过外源性干预来增加cPWWP2A/抑制miR-579表达，从而达到改善糖尿病性微血管病变对组织的损伤。Jiang等[9]研究发现circZNF532通过充当miR-29a-3p海绵并诱导神经元胶原抗原(neuron-glia antigen2，NG2)、赖氨酰氧化酶样蛋白2 (lysyl oxidase-like 2，LOXL2)和细胞周期蛋白依赖性激酶2(cyclin dependent kinase 2，CDK2)的表达增加来调节视网膜周细胞生物学，改善周细胞变性和血管功能障碍。因此，利用circZNF532诱导或miR-29a-3p拮抗的方法可以治疗DR。

2.2.2circRNA参与调节视网膜内皮细胞功能Zou等[15]研究表明，通过对沉默circCOL1A2、减少其对miR-29b的海绵样吸附，从而增强miR-29b表达来抑制血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达，来抑制高糖诱导的人视网膜微血管内皮细胞(human retinal microvascular endothelial cells，hRMECs)的增殖、迁移、血管通透性增加和新生血管生成，该研究提示靶向调控circCOL1A2可能成为DR的治疗手段之一。

Zhu等[16]研究发现糖尿病条件下miR-20b-5p上调可促进hRMECs的增殖、迁移和管状形成，circDNMI3B作为miR-20b-5p的海绵被下调。过表达circDNMI3B可减少糖尿病大鼠视网膜无细胞毛细血管数量，减轻视觉损伤。该研究揭示了circDNMI3B和miR-20b-5p在DR患者增生性纤维血管膜中的表达变化，为DR提供了一种潜在的治疗策略。

Liu等[17]首次阐明了circ_0002570在DR发病机制中的分子机制，在DR患者和高糖诱导的hRMECs中，miR-1243、circ_0002570和血管生成素均异常表达。circ_0002570可通过竞争性结合miR-1243抑制其表达从而上调血管生成素，介导了高糖诱导的hRMECs功能障碍。因此可通过调节circ_0002570-miR-1243-血管生成素轴来治疗DR。

Zeng等[18]研究表明circ_0001879与miRNA-30-3p竞争性结合，抑制其活性，从而导致视网膜内皮细胞增殖和血管功能障碍。因此可以通过沉默circ-0001879靶向miR-30-3p来调节hRMECs的功能，抑制高糖条件下hRMECs的增殖和迁移，circ-0001879可能成为DR的一种潜在标志物和分子治疗靶点。

2.2.3circRNA参与调节视网膜色素上皮细胞功能Sun等[19]研究发现hsa_circ_0041795在高糖诱导的人视网膜色素上皮细胞-19(adult retinal pigment epithelial cell-19，ARPE-19)中表达明显上调，而miR-646表达下调；并发现下调hsa_circ_0041795显著抑制了ARPE-19细胞中炎症因子，如TNF-α、白细胞介素-1β(interleukin 1β,IL-1β)和白细胞介素-6(interleukin 6,IL-6)的表达。其机制可能是下调hsa_circ_0041795，海绵样吸附miR-646能力减弱，miR646的表达显著增加，促进ARPE-19细胞增殖提高外屏障功能、改善炎症和细胞凋亡，因而在DR的治疗中显示出新的潜力。

细胞凋亡、炎症和氧化应激是DR进展的标志，Li等[20]发现circRNA_0084043通过海绵样吸附miR-140-3p和诱导RPE细胞中转化生长因子-α(transforming growth factor-alpha，TGF-α)基因表达来促进DR的发展。miR-140-3p是circRNA_0084043的下游靶标，它可以被circRNA_0084043负调控；circRNA_0084043 的缺失显著增加了ARPE-19细胞存活率并抑制了高糖诱导的ARPE-19细胞损伤及凋亡，并降低了炎症反应和氧化应激的各项指标。这项研究可能为临床治疗DR在血-视网膜外屏障方面提供了新的线索。

总之，circRNA 可以作为关键的竞争性内源RNA发挥作用，它可以海绵样吸附相应的miRNA并影响包括DR在内的多种疾病的病理发展变化过程。已有研究证实circRNA在DR中发挥重要作用，但目前的研究仍显不足，上述circRNA作用机制尚未确切阐明，还有大量circRNA的功能在视网膜微血管病变中未被验证；但是circRNA与miRNA在调控DR发生发展中的相互作用机制已出现新的端倪。

3结论与展望

根据国际糖尿病联合会(international diabetes federation，IDF)的报告[21]，2019年全球有4.63亿人患有糖尿病，预计到2040年这一数字将上升到6. 45亿。糖尿病及相关并发症的控制必将成为医学界研究的热点。

虽然已发现多种circRNA对DR病理过程具有调控作用，但其在多个研究方向尚处于空白，如circRNA对DR调控的确切作用靶点、同一circRNA在不同条件下其作用不同的原因，以及在人体不同组织中的作用有何异同等。但有理由相信，随着科技的发展，circRNA将成为人类认识疾病的一个创新靶点，circRNA在人类疾病中的意义将被越来越多的研究诠释。circRNA作为一种新型的内源性非编码RNA，可能在各种眼病[22-25]的病变进展中发挥重要作用，包括翼状胬肉、白内障、青光眼、DR、视网膜母细胞瘤、年龄相关性黄斑变性和同型半胱氨酸血症引起的眼病。Guo等[26]总结多项研究发现 circRNA在不同眼病中表现出不同的作用和表达模式，在体内的失调似乎与许多生物学过程有关，如生存能力、增殖和细胞凋亡等。但是目前用于识别和验证circRNA的技术在很大程度上仍处于实验阶段，方法仍有待标准化。因此，circRNA靶向干预虽然可能是一种有前途的治疗糖尿病相关性眼病(包括视网膜微血管病变)的方法，但是还需要进一步的深入研究，期待未来有更多的研究证实circRNA在眼病诊治中的作用，以实现circRNA成为眼病诊断和预后评估新的生物标志物、治疗靶标。