微小非编码rna的研究进展（人类外显子环状RNA的研究进展及其临床价值）

小君 2023-08-02 13:16:50 823

微小非编码rna的研究进展（人类外显子环状RNA的研究进展及其临床价值）环状RNA的基本特征：表1 在线环状RNA研究工具和数据库（1）环状基因组RNA（包括类病毒和丁型肝炎病毒等）；（2）内含子环状RNA；（3）RNA加工过程的环状RNA中间体分子（rRNA或tRNA加工的中间体）；

9月2日，RNA Biology在线发表了复旦大学肿瘤研究所黄胜林教授的受邀综述文章，系统分析了人类外显子环状RNA的研究进展及其临床意义(Lyu and Huang 2016)。作者从环状RNA的基本介绍入手，系统介绍了人类外显子环状RNA的鉴定和表达情况，主要特性，相关功能，潜在作用机制以及临床应用价值。

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环状RNA的相关背景介绍：

在上世纪70年代就发现了环形RNA的存在，截至目前，共有五大类环状RNA分子：

（1）环状基因组RNA（包括类病毒和丁型肝炎病毒等）；

（2）内含子环状RNA；

（3）RNA加工过程的环状RNA中间体分子（rRNA或tRNA加工的中间体）；

表1 在线环状RNA研究工具和数据库

环状RNA的基本特征：

在人类成纤维细胞中，环状RNA对应的基因占到了14%左右。目前在人类样本中已发现的环状RNA超过10万种之多。绝大部分环状RNA存在于细胞质中，但有极少数定位于细胞核内。人类环状RNA长度通常小于1500nt，平均长度在500nt左右。环状RNA的环化位点两侧的内含子比平均内含子长度长，说明更长的内含子有助于形成环状RNA分子。目前已在多种物种中发现了环状RNA，说明环状RNA的形成是有进化基础的。一些环状RNA存在明显的组织和细胞特异性的表达状态。人们还在唾液和外泌体中检测到了环状RNA的存在。这些特性都提示环状RNA很可能有目前尚未知晓的重要生物学功能，有潜在的临床应用价值。

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图1 人类外显子环状RNA形成机制与主要功能（来自(Lyu and Huang 2016)）

环状RNA在发育和疾病过程中的功能：

环状RNA的一系列特殊性质引起了生物医学研究人员的广泛兴趣，目前已发现一些疾病和发育相关的环状RNA研究报道：

环状RNA与人类大脑发育及疾病的关系：一系列的研究报道表明哺乳动物的大脑组织中大量富集环状RNA分子。大脑发育过程中环状RNA的总体表达量上升，经常富集在突触结构中，与所对应的线性RNA表达特征不太一致，说明环状RNA或许起到特殊的作用。例如目前功能研究最清楚的环状RNA CDR1as在大脑中的表达和功能就非常有趣。在小鼠的大脑中，CDR1as主要在mesencephalon区（中脑的一个区域），在斑马鱼中干扰成熟型miR-7或者增加CDR1as后导致中脑发育异常，体积变小(Hansen et al. 2013; Memczak et al. 2013)。在人类Alzheimer’s Disease中CDR1as表达偏低，或许与AD疾病发生发展过程有关。

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图2 CDR1as 与 miR-7在小鼠组织中表达情况（来自(Memczak et al. 2013)）

环状RNA与人类心血管疾病的关系：一些研究进展表明环状RNA与心血管疾病的关系非常密切。例如前不久Nature Communications杂志在线发表的Daniel Teupser教授的研究成果，来源于lncRNA ANRIL的环状RNA circANRIL能够通过竞争性抑制核糖体RNA前体分子结合PES1影响核糖体生成并导致核仁压力，与动脉粥样硬化疾病发生发展密切相关。

早在2010年，另一项研究表明circANRIL还可能通过调控INK4/ARF的表达参与动脉粥样硬化疾病发生发展过程(Burd et al. 2010)。另一项研究表明CDR1as与心肌梗死有关，在心肌梗死的小鼠模型中检测到了心肌组织中CDR1as过表达的现象，CDR1as过表达可能导致心肌组织细胞凋亡，过表达miR-7可缓解该过程。另一项研究中，作者发现了circ-Foxo3在组织细胞衰老中的作用，circ-Foxo3在胞质中结合ID-1、 E2F1、 FAK 及 HIF1α，影响它们参与压力相关通路的调控作用，促进衰老进程。在小鼠模型中过表达circ-Foxo3的干扰RNA显著降低心肌细胞衰老表型。而circHRCR则可通过竞争性抑制miR-223起到保护心肌的作用(Du et al. 2016)。

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图3 circ-Foxo3影响细胞压力反应相关通路的机制（来自(Du et al. 2016)）

环状RNA与人类肿瘤的关系：已有不少的研究论文报道发现了一些肿瘤相关的环状RNA分子。Bachmayr-Heyda和他的同事最先发现结肠癌细胞系及癌组织相对于癌旁组织的环状RNA表达总体下降，发现环状RNA表达量与疾病进程存在负相关性关系(Bachmayr-Heyda et al. 2015)。有趣的是，有一类环状RNA是由于肿瘤相关的染色体重组后形成的，称为融合性环状RNA（fusion circRNAs，f-circRNA），目前已发现多种f-circRNA分子，包括来源于人类急性早幼粒细胞白血病（APL）病人，SK-HEP-1肉瘤细胞系以及H3122肺癌细胞系等不同肿瘤和细胞系中的f-circRNA分子( Guarnerio et al. 2016)。

文章报道了两种f-circRNA分子：f-circPR 和f-circM9在肿瘤中的作用研究，过表达它们能促进MEF细胞增殖和克隆形成能力。在有表达所对应的融合基因蛋白产物的细胞中过表达f-circM9依然可以促进细胞增殖和克隆形成能力，f-circRNA也可以增加肿瘤细胞耐受化疗药物的能力。另一方面在NB4细胞中敲低f-circPR会诱导细胞凋亡。这些研究将这一类环状RNA赋予了类似癌基因的功能，称之为癌性环状RNA （onco-circRNA）。

环状RNA也可能存在抑癌性作用，例如食管鳞状细胞癌中cir-ITCH通常为低表达状态，cir-ITCH作为miRNA sponge，能增加所对应的线性RNA ITCH的丰度。在结肠癌中cir-ITCH还可以参与调控Wnt/beta-catenin信号通路。circ-Foxo3在肿瘤细胞中也扮演了重要角色，敲低circ-Foxo3可诱导细胞凋亡。

环状RNA的其他生理病理作用：在人类细胞上皮样-间充质样转换（EMT）过程中有大约三分之一的环状RNA形成过程受到一种RNA结合蛋白Quaking（QKI）的调控，进一步的分析表明这些受QKI调控的环状RNA或许与EMT相关的细胞迁移侵袭相关的机能变化有关。另一项研究发现circular RNA100783与CD28-associated CD8( ) T衰老进程有关。竞争性结合miR-136的环状RNA与人类的软骨退化过程有关。

环状RNA的潜在作用机制：

环状RNA与RNA分子相互作用：环状RNA作为miRNA Sponge的功能模型是报道最早的环状RNA功能模型，典型的如CDR1as，该分子中包含了60多个miR-7的结合位点，在人类大脑中，每个细胞内的CDR1as可竞争性结合超过2万个miR-7分子。除了CDR1as，还有少数几个具有miRNA sponge功能的环状RNA分子，例如circSRY包含了16个miR-138的结合位点。其它如circHIPK3，circ-Foxo3包含了竞争性结合多种类型miRNA的能力。环状RNA还有可能通过竞争性结合lncRNA或者mRNA起作用，但目前还没找到直接的证据。

环状RNA与蛋白相互作用：已有的文献报道表明环状RNA可以结合RBP发挥功能，例如结合Argonaute，RNA聚合酶II及MBL等。例如circ-Foxo3可结合ID-1、 E2F1、 FAK 及 HIF1α影响后者在压力相关通路中发挥作用。circ-Foxo3还可以结合CDK2和p21蛋白形成三元复合物，抑制CDK2的功能，阻止细胞周期进程。这些研究表明circ-Foxo3似乎作为一个蛋白相互作用的脚手架，与众多的蛋白结合，影响蛋白的功能。但关于circ-Foxo3如何结合这些蛋白目前还不很清楚。

环状RNA调控RNA转录和剪接作用过程：包含内含子序列的一类环状RNA（EIciRNAs）不像传统的环状RNA定位于细胞质中，这类环状RNA定位于细胞核内，通常在启动子区富集，可通过U1结合RNA聚合酶II，促进所对应的RNA转录作用。环状RNA是前体RNA加工的产物与所对应的线性RNA存在相互竞争抑制的可能性。例如MBL基因第二外显子形成的环状RNA circMBL便是这样的，在该基因的第二内含子中含有MBL的结合位点，能促进circMBL的形成。

环状RNA翻译多肽或蛋白：早期的体外研究表明在环状RNA分子中增加IRES元件可以导致其翻译蛋白。最近的一系列研究表明在人类细胞中存在一种不依赖5’帽子结构的蛋白翻译机制，也为环状RNA表达多肽提供了可能的机制。但目前尚未有直接的证据表明内源性环状RNA可翻译蛋白。

人类环状RNA的临床意义：

环状RNA不包含游离的5’和3’末端，具有相对更高的稳定性，因此是作为疾病或生理过程的标志物的理想选择。例如一些疾病相关的染色体易位导致的f-circRNAs仅能在发生染色体易位之后才可检测到。比如circ_101222在先兆性子痫的病人血液中明显增高。将血浆蛋白因子endoglin (ENG) 的检测联合circ_101222检测进行疾病早期诊断，可得到灵敏度0.7073，特异性0.8049的先兆性子痫诊断准确性效果。结肠癌患者与健康对照组相比血液外泌体中的外显子环状RNA丰度有较明显的差异(Zhang et al. 2016)。

环状RNA的检测也成功应用于胃癌的预测。在卵巢上皮癌中，相对于健康对照组，环状RNA相对于线性RNA的表达情况明显改变。一些环状RNA已报道可作为一些疾病的标志物，例如喉癌中hsa_circRNA_100855 和 hsa_circRNA_104912，肝细胞癌中hsa_circ_0001649，结肠癌中circRNA_001569和 hsa_circ_001988。此外，环状RNA还可以作为疾病治疗的靶点，例如circ-Foxo3作为治疗靶点，有望应用于心肌梗死或一些肿瘤的治疗中。

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