环状RNA在病原感染中的作用机制研究进展

尹艳玲,谷九龙

(重庆三峡职业学院,重庆 404155)

环状RNA(circular RNA,circRNA)是一类单链闭合环状的非编码RNA分子,广泛分布于真菌、原生生物、植物、线虫、斑马鱼、果蝇和哺乳动物等真核生物中。环状RNA最早发现于1971年,被认为是由RNA错误剪接产生而不具备生物学功能。直到2010年,随着高通量RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq)技术的发展和应用,大量环状RNA得到鉴定。2013年,Hansen和Memczak团队发表了对环状RNA ciRS-7功能研究的报道,自此环状RNA逐渐成为非编码RNA领域新的研究热点。研究表明,环状RNA具有稳定、丰富、保守及组织和发育阶段特异性表达等特性,在各种生理和疾病进展中发挥着重要的调控作用。本文就环状RNA的生物学功能及其在病原感染中的作用进行了综述,以期为阐明环状RNA在病原感染中的作用机制提供参考,为感染性疾病的防控提供依据。

1 环状RNA的生物学功能

1.1 充当miRNA海绵

环状RNA最重要的生物学功能之一是发挥miRNA海绵或竞争性内源RNA(competitive endogenous RNA,ceRNA)的作用。miRNA可通过与其靶基因的3′非翻译区结合来抑制靶基因的表达,靶基因3′非翻译区中与miRNA互补配对结合的序列称为miRNA反应元件[1]。根据竞争性内源RNA假说,环状RNA序列中也含有miRNA反应元件,能与miRNA的靶基因竞争性结合miRNA,从而解除miRNA对其靶基因的抑制作用[2]。值得注意的是,一个环状RNA通常具有不同的miRNAs反应元件或对一个miRNA有多个结合位点,一个miRNA也可被不同的circRNAs海绵吸附。如CDR1as具有miR-7、miR-671、miR-1270、miR-219a-5p、miR-139-3p、miR-1299、miR-876-5p、miR-135a和miR-135b等多个miRNAs反应元件,其中CDR1as包含70多个保守的miR-7反应元件。miR-7也能被CDR1as、circHIPK3、circ-U2AF1等多个circRNAs海绵吸附。

1.2 与RNA结合蛋白相互作用

环状RNA与RNA结合形成环状RNA-蛋白质复合物(circRNPs),从而影响蛋白质的亚细胞定位、蛋白质相互作用及mRNA的稳定性等,如circ-Foxo3可通过与应激和衰老相关蛋白质相互作用来阻止它们的核易位[3]。在正常的生理状态下,CDK2蛋白与细胞周期蛋白A(cyclin A)及细胞周期蛋白E(cyclin E)结合,保证细胞周期正常运转;过表达circ-Foxo3可促进其与CDK2蛋白和p21蛋白形成三元复合物,阻碍CDK2蛋白和cyclin A、cyclinE的结合,从而抑制细胞周期的正常进展[4]。circNSUN2通过和IGF2BP2蛋白、HMGA2基因形成RNA-蛋白质三元复合物,以增强HMGA2 mRNA的稳定性[5]。

1.3 调节基因转录

eiciRNA和ciRNA主要位于细胞核,它们可通过与RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)协作来启动亲本基因的转录,如ci-SIRT7、ci-MCM5和eici-paip2通过与Pol II作用可分别促进亲本基因SIRT7、MCM5和PAIP2的转录[6]。另外,分布在细胞核中的ecircRNA(如circACTN4)可通过与启动子相互作用并将转录调节蛋白募集到启动子区域,从而激活基因转录[7]。

1.4 翻译表达蛋白质

传统观点认为,5′端帽子结构和3′端poly(A)尾结构是翻译的必要条件,而环状RNA不具有5′和3′游离末端,因此最初认为环状RNA不具有蛋白质翻译功能。但研究发现,IRES或N6-甲基腺苷(m6A)可介导环状RNA的翻译。目前研究比较广泛的是IRES介导的环状RNA翻译机制,IRES可招募起始因子和核糖体来启动mRNA非帽依赖性的翻译起始,通过在环状RNA序列中插入IRES序列可以实现对环状RNA的翻译;m6A介导环状RNA翻译的机制与IRES类似,通过m6A“阅读器”YTHDF3募集起始因子,从而起始环状RNA的翻译[8]。通过对环状RNA序列进行分析发现,大量环状RNA序列中含有m6A和IRES元件。同时,含有丰富ORF序列的环状RNA即使缺乏m6A和IRES元件也可被翻译成蛋白质[9]。

2 宿主环状RNA在病原感染中的作用研究进展

2.1 环状RNA与病毒感染

病毒感染可引起宿主环状RNA表达谱的改变,用测序技术检测PEDV感染猪空肠上皮(IPEC-J2)细胞中的环状RNA表达谱发现,PEDV感染不同时间点(36 h、60 h、72 h)共引起IPEC-J2细胞中1078个circRNAs显著差异表达,包括495个上调和583个下调的circRNAs[10]。基于口蹄疫病毒(FMDV)感染猪肾(PK-15)细胞模型发现,FMDV感染可导致PK-15细胞中1100个circRNAs的显著差异表达,其中425个circRNAs上调表达,675个circRNAs下调表达[11]。

环状RNA在宿主抗病毒感染的防御反应中发挥了重要的调节作用。EB病毒(Epstein-barr virus,EBV)是导致淋巴瘤发生的重要影响因素,其与弥漫性大B细胞淋巴瘤的不良临床转归密切相关。在EB病毒+弥漫性大B细胞淋巴瘤病人肿瘤组织中circEAF2显著下调表达;体外研究发现,EB病毒阳性的B淋巴瘤细胞中过表达circEAF2时显著促进了细胞凋亡并增加了细胞对表柔比星敏感性,从而抑制了EB病毒+弥漫性大B细胞淋巴瘤的进展;进一步用小鼠EB病毒阳性B淋巴瘤异种移植模型发现,过表达circEAF2降低了Ki-67阳性率、促进了细胞凋亡并延缓了肿瘤生长[12]。柯萨奇病毒B3(Coxsackie virus B3,CVB3)感染Hela细胞时显著抑制hsa-cir-0000367(circSIAE)的表达,深入研究发现,circSIAE通过抑制miR-331-3p的表达并上调靶基因TAOK2的表达,从而抑制CVB3在细胞中的复制和增殖[13]。

病毒感染时能利用宿主环状RNA来促进自身的感染和复制。如甲型流感病毒(Influenza A virus,IAV)感染时可上调细胞中circ-0050463的表达,并通过调控circ-0050463/miR-33b-5p/EEF1A1轴来促进自身的复制和感染[14]。在体外感染试验中,CVB3通过利用宿主circDDX17调节miR-1248/NOTCH2轴来促进它在细胞中的复制[15]。

2.2 环状RNA与细菌感染

细菌感染可引起宿主环状RNA表达谱的改变。用F17大肠埃希氏菌感染绵羊羔羊,以感染后2 d是否腹泻作为依据,将感染羔羊分为拮抗组和敏感组,用RNA测序技术检测拮抗组和敏感组羔羊脾脏中的环状RNA表达谱,共鉴定出1942个circRNAs,其中两组之间差异表达的circRNAs共有60个,包含31个上调和29个下调的circRNAs[16]。用RNA测序技术发现金黄色葡萄球菌感染可导致巨噬细胞中61个circRNAs的表达显著改变,其中22个circRNAs上调表达,39个circRNAs下调表达[17]。

环状RNA在宿主抗细菌感染的防御反应中发挥了重要的调节作用。结核分支杆菌感染导致结核病患者和THP-1细胞中hsa-circ-0001204的表达显著下调,过表达hsa-circ-0001204可抑制结核分支杆菌的存活并降低THP-1感染细胞的凋亡和炎症反应[18]。结核分支杆菌感染可抑制结核病患者和巨噬细胞中circ-WDR27的表达,circ-WDR27通过靶向调节miR-370-3p/FSTL1轴来抑制结核分支杆菌在细胞中的存活并刺激感染细胞中促炎细胞因子的释放[19]。细菌可操纵宿主环状RNA的表达,幽门螺旋杆菌是导致胃癌的重要因素,幽门螺旋杆菌感染可上调胃癌细胞中circMAN1A2的表达,且幽门螺旋杆菌通过操纵宿主circMAN1A2调控miR-1236-3p/MTA2轴,以促进其诱导的胃癌进展[20]。

2.3 环状RNA与寄生虫感染

寄生虫感染可引起宿主环状RNA表达谱的改变。用RNA测序技术分析了柔嫩艾美耳球虫感染鸡脾脏中的环状RNA表达谱,与未感染对照组相比,柔嫩艾美耳球虫感染引起40个circRNAs差异表达,包含16个上调和24个下调的circRNAs[21]。从阳泉市疾病预防控制中心采集3名利什曼原虫感染患者和未感染健康个体的血清,用RNA测序检测上述血清中的环状RNA发现,与健康对照血清相比,利什曼原虫感染导致血清中4664个circRNAs显著差异表达,其中1931个circRNAs上调,2733个circRNAs下调[22]。

环状RNA在宿主应对寄生虫感染的免疫反应中发挥重要的调节作用。巨噬细胞是重要的免疫细胞。据报道,MMD基因在成熟巨噬细胞中表达,并可能影响巨噬细胞的活化和分化。柔嫩艾美耳球虫感染可显著上调宿主circMGAT5的表达,且circMGAT5可通过调控miR-132c-5p/MMD轴抑制巨噬细胞的活化和分化,表明circMGAT5在柔嫩艾美耳球虫感染过程中参与巨噬细胞的激活且存在潜在的免疫调控作用[21]。

寄生虫感染时能利用宿主环状RNA来促进自身的感染和复制。微小隐孢子虫(CryptosporidiumParvum)感染时可引起宿主细胞中环状RNA的显著差异表达,其中ciRS-7在C.parvum感染的HCT-8细胞中显著上调,且C.parvum可利用ciRS-7调节miR-1270/relA轴,进而调控NF-κB信号通路,以促进其在细胞中的增殖[23]。

2.4 环状RNA与其他病原微生物感染

阿萨希毛孢子菌(Trichosporonasahii)是毛孢子菌属中最常见的致病菌。研究表明,T.asahii感染导致THP-1细胞中46个circRNAs的表达显著改变,包括19个上调和27个下调的circRNAs,其中hsa-circ-0065336在T.asahii感染后显著上调,进一步构建竞争性内源RNA网络发现hsa-circ-0065336可能通过海绵吸附miR-505-3p来促进PTPN11基因的表达。Deng等证明PTPN11基因通过调节促炎细胞因子的释放以控制白色念珠菌的感染,表明hsa-circ-0065336/miR-505-3p/PTPN11轴在T.asahii感染过程中的潜在调控作用[24-25]。

用微阵列芯片技术检测鼠肺炎沙眼衣原体感染HeLa细胞中的环状RNA表达谱发现,鼠肺炎沙眼衣原体导致HeLa细胞中834个circRNAs显著差异表达,包括391个上调和443个下调的circRNAs。对差异表达circRNAs进行KEGG通路分析,发现它们参与了细胞凋亡和TNF信号通路[26]。研究证实沙眼衣原体感染时可抑制宿主细胞凋亡,提示沙眼衣原体感染时可能通过操纵宿主环状RNA来影响宿主细胞的凋亡[27]。

3 小结

宿主环状RNA在感染性疾病中发挥了重要的调控作用,其在应对病原感染时可通过多种机制来影响病原的感染过程,如调节宿主基因或病原相关基因的表达。然而,病原微生物在感染时也能利用宿主环状RNA来促进自身的增殖和感染。因此,分析宿主环状RNA在病原感染过程中参与调控宿主-病原相互作用的机制,有助于更深入地了解感染性疾病的病因,为感染性疾病的诊断和防控提供新思路。