環狀RNA 的生物學功能

宋新強 張麗麗

(河南省信陽師范學院生命科學學院 464000)

1 環狀RNA的發現

環狀RNA(circRNA) 也可稱為環形RNA，是新近確認的一類特殊的非編碼RNA(ncRNA)分子，廣泛且多樣地存在于哺乳動物細胞中，具有調控基因表達的作用，是RNA領域最新的研究熱點。circRNA 最早于20 世紀70 年代在RNA 病毒中被發現[1]。1979年，Hsu[2]利用電子顯微鏡第一次觀察到RNA 可以以環狀的形式存在于真核細胞的細胞質中。緊接著，Arnberg 等[3]在酵母的線粒體中又發現了circRNA。1993年，在人體細胞的轉錄產物中也發現了一些由外顯子來源的circRNA。但是，當時僅僅認為circRNA是一類因外顯子轉錄過程發生錯誤剪接而形成的低豐度RNA 分子，因而對它們的研究不夠深入，以至于到1999 年發現的circRNA 數目也只有少數幾種[4]。隨著RNA 測序(RNA-seq) 和生物信息學等技術的快速發展，人們在大規模研究轉錄組數據時發現，circRNA 并不像之前所認為的那樣是一種極罕見現象。相反，其大量存在于真核細胞中。Jeck 等[5]在人類成纖維細胞中檢測出高達25000 多種的circRNA； Memczak 等[6]通過RNA-seq 數據結合人白細胞數據庫鑒定出1950 種人類circRNA、1903 種小鼠circRNA (其中81 種與人類circRNA 相同) 和724 種線蟲circRNA。Danan 等[7]發現，circRNA 在古生菌細胞中也普遍存在，并認為其極有可能具有生物學功能。

2 circRNA 的形成過程

目前發現的circRNA分子根據其在基因組中的來源及其構成序列的不同可以分為以下三類，即外顯子來源的環狀RNA分子(exonic circRNAs)、內含子來源的環狀RNA分子(ciRNAs)以及由外顯子和內含子共同組成的環狀RNA分子(retained-intron circRNAs)[8]。盡管其加工成熟機制尚不完全清楚，但是目前的研究表明，這三類環狀分子具有完全不同的產生方式。①exonic circRNAs，由非順序剪接，通過反向剪接形成。exonic circRNAs在細胞中廣泛存在。目前對于其反向剪接的機制推測有兩種模型。其中一種模型認為，在pre-RNA的轉錄過程中，由于RNA發生部分折疊，拉近了原本非相鄰的外顯子，從而發生外顯子跳躍，使得被跨越的區域形成環狀RNA中間體，進一步通過剪接形成由外顯子構成的環狀RNA分子；另一種模型認為，位于內含子區域的反向互補序列導致內含子區域配對，介導反向剪接從而形成環狀RNA分子。②ciRNAs，大多數內含子在經過剪接后形成套索結構，通常情況下經過脫分支后很快被降解。研究發現，一些內含子如果含有某些關鍵的核酸序列，就可以在剪接發生后不被脫分支酶作用，從而形成內含子來源的ciRNAs。與exoniccircRNAs最大的區別是：ciRNAs是3′-5′磷脂鍵環化的分子，exonic circRNAs是2′-5′磷脂鍵環化的分子。③retained-intron circRNAs，在反向剪接形成exonic circRNAs的過程中，由于某種原因含有未剪接內含子的環狀RNA分子也可以穩定存在，這類環狀RNA分子可能是剪接過程中的中間體，也有可能是一類獨立存在的環狀RNA分子。

3 circRNA的主要特征

circRNA 具有以下重要特征：① circRNA 由特殊的可變剪切產生，大量存在于真核細胞的細胞質中，但少部分內含子來源的circRNA 則存在于核酸內，具有一定的組織、時序和疾病特異性；② 廣泛存在于人體細胞中，有時甚至超過它們線性異構體的10 倍之多；③ 與傳統的線型RNA (linearRNA，含5′和3′末端) 不同，circRNA 分子呈封閉環狀結構，不易被核酸外切酶RNaseR 降解，比線性RNA 更穩定；④具有高度保守性，部分具有快速的進化性改變；⑤ 大多數來源于外顯子，少部分由內含子直接環化形成；⑥可充當競爭性內源RNA，在細胞中起到miRNA 分子海綿的作用；⑦大部分是非編碼RNA；⑧大多數circRNA 能在轉錄或轉錄后水平發揮調控作用，少數只能在轉錄水平發揮作用。circRNA 的其他特征還有待闡明。

4 circRNA生物學功能

經過RNA深度測序并結合生物信息學分析，從古生菌到人類細胞中發現大量的環狀RNA分子。近期的研究表明，這類廣泛存在的環狀RNA分子并不是剪接副產物，而是具有功能的生物大分子，包括充當miRNA分子海綿，調控基因轉錄，與RNA結合蛋白相互作用，翻譯蛋白質等[9]。

4.1 類似miRNA分子海綿的作用 細胞內的競爭性內源RNA具有數量和種類不等的miRNA結合位點，可以競爭性的結合miRNA，降低miRNA對其靶基因的抑制作用，上調靶基因的表達水平。研究表明，兩個來源于基因外顯子的exonic circRNAs可以像競爭性內源RNA那樣，起到miRNA分子海綿的作用，通過吸附miRNA，進而調控基因表達水平。其中之一為定位于胞漿中的CDR1as，其主要在人和老鼠的腦中表達。CDR1as長度約為1.5 kb，含有74個miR-7的結合位點，其中超過60個位點是保守的。敲除CDR1as，可降低miR-7靶分子的表達水平；反之，過表達CDR1as，則抑制miR-7的作用。另一條作為miRNA分子海綿的環狀RNA分子Sry也具有類似的特征和功能，含有miR-138的16個結合位點，通過競爭性結合miR-138，從而減弱miR-138的抑制作用。目前只有上述CDR1as和Sry這兩條環狀RNA分子被證明具有miRNA分子海綿功能，而其他大部分環狀RNA分子含有很少的miRNA結合位點。

4.2 調控基因轉錄 近期，有關課題組[8]鑒定出一種來源于基因內含子區域的新型環狀RNA分子(ciRNAs)，初步研究表明，這些ciRNAs可參與基因轉錄調控。與exonic circRNAs不同，ciRNAs含有很少的miRNA結合位點，并且主要定位于細胞核中。通過DNA/RNA 雙原位雜交實驗，顯示部分ciRNAs定位于其轉錄位點附近，并可以結合RNA聚合酶II復合體，通過未知的機制影響RNA聚合酶II的轉錄，從而對其parent基因發揮順式調控作用。ciRNAs除了在其轉錄位點富集，還在細胞核的其他區域有點狀聚集，提示其可能還發揮反式調節作用。

4.3 與RNA結合蛋白的相互作用 線性RNA吸附蛋白因子已有報道，同樣，環狀RNA分子也可以吸附蛋白因子。例如，CDR1as和Sry與miRNA效應因子Argonaute (AGO)的結合，ciRNAs與RNA聚合酶II復合體的相互作用[10]，提示環狀RNA分子可以作為腳手架，為蛋白質與RNA、蛋白質與DNA、蛋白質與蛋白質之間的相互作用提供平臺。

4.4 蛋白質翻譯 除了可以在RNA水平發揮功能，環狀RNA分子還可以像線性mRNA分子一樣翻譯形成蛋白質。例如，B型肝炎病毒中的環狀RNA分子hepatitis δ，能夠編碼一個病毒相關蛋白，并在疾病的發生中發揮作用[11]。但是，這種現象目前只在病毒中得到觀察。在真核生物中，含有ATG起始密碼子的環狀RNA分子能否像線性mRNA一樣被核糖體識別進行蛋白質的翻譯，還需進一步確認。

4.5 作為生物標志物 circRNA在結構上較線性RNA具有更高的穩定性，其組織特異性和穩定性使其有可能成為一種良好的生物標志物。另外，circRNA 與疾病發生的密切相關，通過與疾病關聯的miRNA 相互作用，circRNA 在疾病發生中發揮著重要的調控作用，可望成為新型的疾病臨床診斷標志物。

(基金項目：國家自然科學基金項目“基于SlSCPx穩定細胞株高通量篩選昆蟲生長抑制劑及抑制活性研究”，No. 31501902；河南省科技廳項目“基因拷貝數變異與類風濕關節炎遺傳易感性的關聯研究”，No. 142102310050；河南省教育廳項目“6p21.3和1q31.3區拷貝數變異與類風濕關節炎遺傳易感性的關聯及機制研究”，No. 14B310010；2014年大學生科研項目“補體因子H相關蛋白基因多態性與類風濕關節炎相關性研究”)