ceRNA網絡在哺乳動物卵泡和早期胚胎發育中的研究進程

任 穎，楊小耿，孫美媛，張慧珠1,，蘭道亮，李 鍵，何翃閎*

（1.青藏高原動物遺傳資源保護與利用教育部重點試驗室，四川 成都 610041；2.青藏高原動物遺傳資源保護與利用四川省重點試驗室，四川 成都 610041；3.西南民族大學 畜牧獸醫學院，四川 成都 610041）

近年來，隨著基因測序技術的不斷發展，有研究發現circRNA存在于哺乳動物的胎盤和胚胎中[1]，甚至在某些物種的卵丘細胞和卵母細胞中廣泛存在。迄今為止，人們已發現數百種不同的circRNA[2-3]，其對哺乳動物生殖發育過程的調控作用也有所不同。哺乳動物的卵泡發育是一個高度復雜且受到多方面因素調控的精密過程[4]，在整個生理過程中，卵泡的發育會受到環境中各類因素的影響。大量研究發現，circRNA、miRNA和mRNA三者在卵泡和早期胚胎發育過程中存在串擾關系。circRNA作為一種非編碼RNA，可以充當ceRNA，構成circRNA-miRNA-mRNA網絡（ceRNA網絡），并通過該網絡發揮其調控作用[5-6]，從而介導卵泡成熟過程中的相關信息通路以及參與調控早期胚胎的發育。因此，ceRNA網絡在哺乳動物繁殖領域發揮著更為重要的作用[7]。然而，目前國內外關于circRNA的研究主要集中于其在不同組織中的表達規律以及在疾病發展過程中發揮的重要調控作用等方面，缺乏對ceRNA網絡在哺乳動物繁殖領域潛在功能的深入探索[8]。本文主要梳理ceRNA網絡在哺乳動物卵泡和早期胚胎發育過程中產生的作用，為進一步研究ceRNA網絡在哺乳動物繁殖方面的潛在功能尋找新方向。

1 ceRNA網絡概述

1.1 circRNA

circRNA是一類特殊的非編碼RNA，由反向剪切產生，不存在5'和3'端，呈現封閉環狀結構，不受RNA外切酶的影響，表達穩定，不易降解[9]。大部分circRNAs主要存在于細胞質中，由外顯子環化形成；少部分circRNAs主要存在于細胞核中，由內含子環化或者外顯子和內含子共同環化形成。circRNA上含豐富的miRNA結合位點，在細胞中起到miRNA海綿的作用，可以與miRNA結合，進而解除miRNA對其靶基因的抑制作用。部分miRNA與某些生理過程相關，circRNA通過與miRNA之間的相互聯系在這些生理過程中起到重要作用[10]，但是如果考慮circRNA靶點數量問題，也有研究表明circRNA大多數很可能不是標準的miRNA海綿，其會在一個更大的調控網絡中發揮重要作用，這也為ceRNA網絡的深入調查提供了背景。

1.2 miRNA

m i R N A 是研究最多的一類非編碼R N A 分子，它是參與轉錄后基因調控的小ssRNA分子（18～23 nt）[11]。miRNA的生物發生是從初級miRNA轉錄物的轉錄開始，由Drosha酶和Dicer酶加工為成熟的miRNA后，再被整合到RISC復合體中，與某些mRNA的3’UTR區域進行結合，最終導致mRNA降解或翻譯受阻[12]。此外，一個miRNA可以靶向多個mRNA，一個mRNA可能包含多個miRNA的靶位點，這導致mRNA-miRNA網絡可能在轉錄后基因調控和細胞生理學過程中發揮重要作用，也為發現ceRNA網絡的其他功能奠定了基礎。

1.3 ceRNA網絡串擾機制

ceRNA是一類獨特非編碼RNA，能夠與mRNA競爭以結合相同的miRNA[13]，構成ceRNA網絡，其揭示了RNA間相互調控的新機制。研究發現，ceRNA網絡在多種生理過程中廣泛存在，如ceRNA有長鏈非編碼RNA、circRNA、假基因、人工合成miRNA抑制劑及病毒miRNA抑制劑等。當circRNA充當ceRNA與mRNA競爭結合miRNA時，三者之間相互作用成為ceRNA串擾，但是一個miRNA可串擾多個不同circRNA和mRNAs，所以一個miRNA參與多個不同串擾，而由同一個miRNA介導的串擾，形成一個ceRNA網絡[14]。

2 ceRNA網絡在哺乳動物卵泡發育過程中的作用

2.1 circRNA調控生殖激素的合成

下丘腦和垂體是調節生殖相關激素分泌的關鍵內分泌器官[15]。哺乳動物下丘腦在一定條件下會釋放促性腺激素釋放激素，作用于腺垂體，使得垂體釋放出2種促性腺激素（促卵泡激素和促黃體激素，FSH和LH）進入血液循環，促進性腺中配子體結合和類固醇發生。有研究通過KEGG通路的分析表明，在高產量和低產量黑山羊卵泡期多種非編碼RNA（ncRNA）表達功能的比較中，發現circRNAs參與了與垂體功能直接相關的信號通路[16]，包括TGF-β信號通路[17]、MAPK信號通路[18]和FOXO信號通路[19]，其中MAPK8、MAPK1、BRAF和MAD1L1在孕激素介導的山羊垂體卵母細胞成熟過程中富集[20]，MAPK8、ADCY9、SRC、PLCB1和SOS2在GnRH信號通路中富集；在高產量和低產量黑山羊黃體期ncRNA表達功能的比較中，發現差異表達circRNA（Differential expression circRNA，DEcircRNA）主要參與GnRH信號通路、雌激素信號通路和催乳素信號通路，其中GNAO1、ADCY9、SRC、PLCB1和SOS2在雌激素信號通路中富集。由此可知，circRNA主要富集于促性腺激素釋放激素信號通路，通過ceRNA網絡調控相關生殖激素的合成，這些激素的產生對于介導卵母細胞成熟以及哺乳動物早期胚胎發育具有重要作用。

2.2 ceRNA網絡參與調節哺乳動物卵泡成熟與閉鎖

大量研究結果表明，circRNA參與山羊、豬、鼠等哺乳動物的卵泡發育過程[21-23]。chi_circ_0031209和chi_circ_0019448可以在黃體期通過影響高產和低產山羊泌乳素受體的表達而在繁殖中發揮重要作用；chi_circ_0014542則在卵泡期參與調控WNT5A的表達[16]，進而調控哺乳動物的卵泡發育。此外，有研究通過深度測序和生物信息學分析，分別在哺乳動物卵丘細胞和卵母細胞中鑒定了7 067個和637個circRNA。其中，DE circRNA的宿主基因顯著富集于與卵丘細胞功能和卵母細胞成熟相關的多種信號通路，分析表明circRNA的一個派系在特定的發育階段以特殊的方式進行發育，并通過這種形式差異表達，試驗發現了這一派系中母源表達的circARMC4，并認為其是卵母細胞減數分裂成熟和發育的重要調節因子[20]，這一派系中結構相似的其他circRNA的功能值得探索。有學者將101個miRNAs與哺乳動物卵泡閉鎖和顆粒細胞凋亡的功能性miRNAs進行比較，確定了16個功能性miRNAs，驗證了卵泡閉鎖過程中存在miRNA-circRNA的相互關系，并且在其中發揮作用[24]。由此可知，ceRNA網絡參與卵泡閉鎖相關過程。還有研究結果表明circRNA在豬卵巢卵泡中廣泛存在，其主要參與豬卵泡的發育過程，并在卵泡閉鎖過程中具有調控作用，讓circINHA作為ceRNA競爭性結合miR-10a-5p用來上調CTGF表達以調控豬顆粒細胞的凋亡[25]。此外，有研究發現宿主基因主要參與激素分泌、顆粒細胞凋亡和卵泡發育[26]，而circRNA作為lncRNA的一種，其是否有相同的作用還有待研究。上述研究結果也提示哺乳動物卵巢卵泡閉鎖過程中存在ceRNA網絡的潛在調控。

3 ceRNA網絡在哺乳動物早期胚胎發育中的作用

附植前胚胎的發育是生殖過程的重要環節之一，哺乳動物早期發育過程伴隨著細胞的增殖、遷移以及細胞命運的層級特化，在整個發育過程中受到母體內多方面因素的影響[27]。其中，circRNA-miRNA-mRNA網絡對早期胚胎發育過程的影響已經逐漸吸引研究者的目光[28]。

有研究通過高通量測序系統分析SSC和FGSC的circRNA和lncRNA表達譜，比較兩性生殖干細胞中circRNA和lncRNA表達的共同點和不同點，通過差異分析，得到性別特異性表達的921個circRNA和2 331個lncRNA。對這些性別特異性表達的circRNA和lncRNA靶基因或hosting基因的GO和Pathway分析，揭示了circRNA和lncRNA通過調控激素分泌和基因印記維持生殖干細胞向不同類型配子發育的潛能[29]，進而提高兩性配子結合成功率，為早期胚胎形成提供物質基礎。也有研究對奶山羊發情期和發情間期卵巢組織中circRNA表達譜進行檢測和分析，結果表明奶山羊卵巢組織中circRNA的表達水平因奶山羊發情的不同生理階段而不同，circRNAs可通過ceRNA網絡影響卵巢發育相關信號通路，導致卵巢中卵泡發育和早期胚胎發育過程發生變化[30-31]，可為研究哺乳動物繁殖領域早期胚胎的發育奠定基礎。綜上所述，鑒于circRNA的保守性及其不同種類的功能仍在研究中，可以假設其他哺乳動物繁殖過程中也廣泛存在類似的circRNA，并且可以通過ceRNA網絡的構建以及多基因對比等方式繼續探索circRNA在哺乳動物生殖領域的潛在功能。

4 展望

隨著高通量測序技術的不斷發展，circRNA逐漸由無用的剪切廢料變成了相關研究的主要內容。越來越多ceRNA網絡的發現使得哺乳動物生殖領域被不斷探索并見證。除了已發現的作用機制外，是否存在其他調控機制也尚未可知，現如今對于circRNA的研究大多局限于轉錄組學方面，在未來如果可以多角度進行多組學整合研究，可能會發現其他非常有價值的circRNA調控機制，circRNA-miRNA-mRNA網絡也會成為探索circRNA在生殖細胞和胚胎發育過程中發揮作用的重要手段，為哺乳動物繁殖方面的研究打開新視角。