环状RNA与糖尿病微血管病变相关性的研究进展

汤绍芳,何 庆

环状RNA(circular RNA, circRNA) 广泛存在于真核生物细胞中,是一类内源性环状非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)分子,具有来源多样、种类丰富、结构稳定、序列保守及表达特异等特性,在多种疾病的发生、发展中有着重要作用[1]。糖尿病微血管病变是糖尿病常见的慢性并发症,主要包括糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy, DR) 、糖尿病肾脏疾病(diabetic kidney disease,DKD)和糖尿病周围神经病变(diabetic peripheral neuropathy,DPN)等,是患者致残、致死的重要原因之一。糖尿病微血管病变发病机制复杂,涉及高血糖、氧化应激和炎症反应等[2]。circRNA是目前研究的热点之一,本文就circRNA作用机制及其与糖尿病微血管病变的相关性进行综述,探讨circRNA对糖尿病微血管病变预防、诊断及治疗的可能性。

1 circRNA的生物合成机制与功能

1.1 生物合成机制 主要有4种形式:(1)外显子跳跃环化;(2) 内含子配对驱动环化A;(3) 内含子套索驱动环化;(4) RNA结合蛋白(RBP)驱动环化[3]。 circRNA在体液中和组织表达丰度较高,在胞质的分布多于胞核,可作为疾病诊断和评估的标志物[4]。

1.2 生物学功能包括 (1)对microRNA分子的“海绵作用”,通过丰富的microRNA的结合位点,发挥类似海绵样的吸附作用,解除与疾病相关的microRNA对靶基因的抑制,实现对疾病的调控[3];(2)调控基因的转录,通过转录因子、表观遗传调节剂,以顺式或反式方式调控基因转录,并与线性剪接竞争[5];(3)与蛋白相互作用,与蛋白结合可改变蛋白的空间结构,暴露或隐藏其活性位点,阻断蛋白与DNA、RNA及蛋白与蛋白的相互作用[3,4]。circRNA还可募集蛋白到染色质,调控转录因子或表观遗传,改变基因表达。circRNA-蛋白-mRNA三元复合体可调控mRNA的稳定性和翻译[6]。

2 与糖尿病微血管病变的关系

circRNA与糖尿病微血管病变密切相关,多种circRNA在糖尿病微血管病变中异常表达,是DR、DKD和DPN发生、发展的重要调控分子。在充分了解其致病机制的基础上,circRNA有可能用于糖尿病微血管病变的诊断,人工合成相关circRNA也有望成为治疗DR、DKD和DPN的分子工具。

2.1 circRNA与DR DR主要的病理生理机制是血糖增高诱导的氧化应激,活性氧(ROS)和晚期糖基化终末产物 (advanced glycation end products,AGEs)异常堆积,产生和释放促炎因子,使周细胞数量减少,功能异常,内皮细胞功能紊乱,发生微血管渗漏和纤维血管膜增殖[7]。研究发现在正常视网膜和糖尿病视网膜组织有529种circRNA存在差异性表达。DR患者的血清有30种circRNA表达明显上调,与DR的病理生理机制密切相关[8]。circHIPK3作为circRNA之一,由2号外显子环化产生,可在视网膜表达,在血管生成和维持内皮细胞功能中具有重要调控作用。在高糖诱导的人视网膜血管内皮细胞(HRVECs)及STZ诱导的DR小鼠模型中,其表达显著上调。沉默circHIPK3后,HRVECs的活性、增殖和迁移被抑制,成管能力下降,细胞毛细血管难以形成,视网膜毛细血管的渗漏、炎症和水肿均可减轻[8]。进一步研究显示,circHIPK3是内源性microRNA-30a-3p的分子海绵,能增加下游的血管内皮生长因子C(VEGF-C)、卷曲蛋白4(FZD4)和WNT2蛋白的表达,从而调节血管内皮功能。circHIPK3还可吸附microRNA-519-3p,调控基质金属蛋白酶-2(MMP-2) 、信号转导及转录激活蛋白3(STAT3)与X连锁凋亡抑制蛋白(XIAP) 的表达,影响内皮细胞功能。circHIPK3在DR患者的房水中表达也明显上调。因此circHIPK3可能在DR的发生及发展中起着重要作用[9,10]。

cPWWP2A是存在于周细胞内的一种circRNA,其表达异常与周细胞功能相关。糖尿病的相关病理因素如高血糖、氧化应激及炎症等可打破环状cPWWP2A与线性PWWP2A间的稳态,细胞有丝分裂等发生紊乱[8]。应用siRNA干扰cPWWP2A的表达,周细胞的凋亡增加、增殖降低,周细胞-内皮细胞间的Crosstalk异常,对内皮细胞的趋附力下降[11];而cPWWP2A的过表达可使周细胞增殖增加。cPWWP2A通过对miRNA-579的海绵样作用,可抑制其活性,使其在胞质中富集,发挥竞争性内源RNA(ceRNA)作用,影响Ang1/Occludin/SIRT1的表达,调节周细胞的功能及周细胞-内皮细胞间的Crosstalk。circRNA的cZNF532对microRNA-29a-3p的海绵作用,可使赖氨酰氧化酶样蛋白2(LOXL2)、蛋白聚糖NG2和周期蛋白依赖性激酶2(CDK2)的表达增加,影响周细胞的活性。因此circRNA有可能成为DR潜在的诊断标记物和治疗的分子靶点[8,10-12]。

2.2 circRNA与DKD DKD在糖尿病患者中的发病率为25%～40%,是成人终末期肾病(ESRD)第2位的原因[13]。在DKD的病理表现中常有肾小球系膜细胞(MCs)肥大、异常增殖和纤维化[14],而circRNA与MCs的异常增殖、细胞外基质(ECM)积聚及纤维化密切相关。circHIPK3在DKD患者及高糖诱导的MCs中的表达上调,通过调控细胞周期与纤维蛋白沉积,进而影响DKD进展。沉默circHIPK3后,转化生长因子-β1(TGF-β1)、纤维连接蛋白、Ⅰ型和Ⅳ型胶原蛋白等的mRNA表达降低,细胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、增殖细胞核抗原(PCNA)mRNA的丰度明显下降[14-16]。

在DKD患者和DKD大鼠模型及高糖培养的MCs中,circ_DLGAP4的表达均增加,并通过吸附miR-143来调节受体酪氨酸蛋白激酶/NF-κB/MMP2轴,促使MCs增殖和纤维化增加,损害肾小球滤过屏障。circ-DLGAP4同样也通过上述通路作用促进DKD的进展[17]。circ_WBSCR17与miR-24-3p可竞争性结合,使成纤维生长因子11释放增加,促进细胞增殖和纤维化[18]。circ_LARP4质粒转染系膜细胞,可通过竞争性结合miR-424,抑制系膜细胞增殖并增加凋亡,降低纤维化相关蛋白的表达[19]。在高糖诱导的肾小管上皮(HK-2)细胞中circ_0003204的表达明显升高,miR-346的表达明显降低。抑制circ_0003204表达或增加miR-346的表达,高糖诱导的HK-2细胞增殖减少,凋亡增加。细胞培养液中的LDH、IL-6 水平及细胞中ROS活性、MDA含量降低,细胞中SOD活性升高,说明circ_0003204可能通过靶向调节miR-346影响高糖诱导的HK-2细胞的增殖、凋亡、氧化应激和炎症反应[20]。还有研究显示circ_0041795可能通过靶向调节miR-361-3p影响高糖诱导的HK-2细胞凋亡和氧化应激损伤[21]。

2.3 circRNA与DPN DPN的发病机制复杂,circRNA对DPN的神经病理性疼痛有着重要的调控作用[22]。临床研究发现T2DM患者circHIPK3的表达水平与神经病理性疼痛的分级呈正相关。circHIPK3在STZ诱导糖尿病大鼠的血清和背根神经节中含量较高,对其进行基因敲除后,IL-1β、IL-6、IL-12和TNF-α的表达降低,大鼠的神经性疼痛可明显缓解,可能是circHIPK3降低了miR-124的表达而发挥作用。 在糖尿病大鼠鞘内注射circHIPK3 shRNA可缓解其神经性疼痛[22]。自噬相关circRNA研究(ACR)发现,在作为DNP的体外模型的高糖引起的大鼠雪旺细胞RSC96,外源性沉默circRNA可使miR-145-3p的表达降低,进而激活PI3K/AKT/mTOR信号通路,从而减轻RSC96细胞的凋亡、自噬及ROS的生成[23]。circZRANB1表达下调可通过海绵吸附miR-24-3p,调控LPAR3的表达,介导Wnt5a/β-Catenin 信号通路,引起神经病理性疼痛[24]。下调circ_0005075的表达可降低miR-151a-3p表达,阻断NOTCH2,引起靶向COX-2、IL-6和TNF-α水平下降,从而抑制神经炎症,缓解疼痛[25]。

circRNA因其独特的生物学功能和在体液中相对稳定的表达,日益成为研究的热点。随着高通量测序等技术的不断发展,其多种生物学功能也不断被挖掘。越来越多的研究发现circRNA在糖尿病微血管病变的发生、发展过程中发挥着重要作用,深入研究circRNA在糖尿病微血管病变中的分子作用机制,可为糖尿病微血管并发症的预防、诊断和治疗提供更多手段。然而,circRNA很多的作用机制和功能仍不清楚,还应进一步加强研究,使其早日应用于糖尿病微血管病变的临床诊治成为可能。