circRNA

环状RNA:非编码RNA中的一颗明星摘要：circRNAs是一种共价闭合环状RNA,高频率出现于真核生物转录本中。最近在哺乳动物细胞中发现了成千中内源的circRNAs。circRNAs由内含子或外显子序列产生，，反向重复序列和RBPs对于circRNAs的形成是必要的。绝大多数circRNAs在不同物种间具有保守性、稳定性，对RNasP具有抗性，常表现组织或发育阶段表达特异性。最近研究已经表明circRNAs可以以miRNA海绵发挥作用，调控剪切或转录及亲本基因的表达。已有研究证明circRNAs在动脉粥样硬化血管疾病、神经紊乱、玩病毒感染疾病和癌症中具有重要作用，在直肠癌和胰腺管恶性肿瘤中异常表达，这暗示circRNAs可以作为预测或检测某些疾病的生物标记分子。与miRNA和lncRNA相似，circRNAs已经成为RNA研究领域的一大热点，广泛参与到生命的各个反应中。本人简要介绍了一下circRNAs的形成机制、性质、功能以及它们在疾病中的重要意义。关键词：环状RNA;选择性环化;MicroRNA海绵;基因表达调控;生物标记CircularRNA:AnewstarofnoncodingRNAsChunlaiYuAbstract:CircularRNAs(circRNAs),unlikelinearRNAs,areacovalentlyclosedcontinuousloopandarehighlyrepresentedintheeukaryotictranscriptome.RecentstudieshavediscoveredthousandsofendogenouscircRNAsinmammaliancells.CircRNAsarelargelygeneratedfromexonicorintronicsequences,andreversecomplementarysequencesorRNA-bindingproteins(RBPs)arenecessaryforcircRNAbiogenesis.ThemajorityofcircRNAsareconservedacrossspecies,arestableandresistanttoRNaseR,andoftenexhibittissue/developmental-stage-specifcexpression.RecentresearchhasrevealedthatcircRNAscanfunctionasmicroRNA(miRNA)sponges,regulatorsofsplicingandtranscription,andmodifiersofparentalgeneexpression.EmergingevidenceindicatesthatcircRNAsmightplayimportantrolesinatheroscleroticvasculardiseaserisk,neurologicaldisorders,priondiseasesandcancer;exhibitaberrantexpressionincolorectalcancer(CRC)andpancreaticductaladenocarcinoma(PDAC);andserveasdiagnosticorpredictivebiomarkersofsomediseases.SimilartomiRNAsandlongnoncodingRNAs(lncRNAs),circRNAsarebecominganewresearchhotspotinthefieldofRNAandarewidelyinvolvedintheprocessesoflife.Herein,wereviewtheformationandpropertiesofcircRNAs,theirfunctions,andtheirpotentialsignificanceindisease.Keywords:CircularRNA;Alternativecircularization;MicroRNAsponge;Geneexpressionregulation;Biomarker引言环状RNA(circRNAs)是最近才发现的一种新型的内源性的非编码RNA(ncRNA)，是最近的RNA研究的一大热点。与线性RNA不同，circRNAs没有5′帽子及3′尾巴，无5′-3′极性及多聚腺嘌呤尾，对核酸酶具有抗性，而是一种稳定的共价闭合环状结构。1970年代就在RNA病毒中发现了circRNAs，但此后近三十年中只有发现了少数circRNAs。曾经一度认为这类RNA是低表达的异常RNA剪切产物或意外产物，但随着RNA深度测序技术和生物信息生物学的发展，最近发现在哺乳动物细胞中存在一大类群具有保守稳定性的内源性circRNAs，而且，R.Ashwal-Fluss、Q.Vicens、S.J.ConnR.A.Dubin等人发现IRAlus和外显子跳跃等反向互补序列及RNA结合蛋白对于circRNAs的形成具有重要调控作用。近年的研究发现，circRNAs可以拥有miRNA海绵的作用，参与调控选择性剪切，调节父本基因的表达，也可能在动脉粥样硬化的血管疾病、神经失调、玩病毒疾病和癌症发挥作用，并有可能成为检测一些结肠直肠癌、胰管恶性肿瘤、胃癌等疾病的生物标记分子。这些发现表明circRNAs在生物发育、疾病的起始和发展具有重要调控作用，将成为临床诊断和预防的标记，为疾病的治疗带来新的曙光。本文简单介绍了miRNA的种类、形成、特点，讲述了其潜在功能及与一些疾病的关系。1.miRNA的种类miRNA表达水平很低，一度认为是由剪接体介导的剪切错误的副产物，或是介导内含子套索结构降解逃逸。因此，极少关注miRNA，且不认为在生物学过程中具有重要作用。2010年前，几乎无新miRNA被发现，miRNA起源研究进展极小。由于高通量深度测序和计算机分析的快速发展，从古生菌到人类跨物种的几千中circRNA被发现，更有甚者，一些基因的circRNA的转录量至少是其线性转录本的10。下表表1是最近在人中发现的circRNA，图1是人和线虫不同细胞中发现的circRNA的种类。表1近年来在人中鉴定到的circRNA[1]图1在人和线虫不同细胞中发现的circRNA[2]2.circRNA的生物起源最近的一些研究揭示，与普通的线性RNA剪切形成不同，circRNA是由套索嵌接剪切形成。而且，最近取得了一些关于套索剪切和线性剪切的竞争性调控的新进展。Jecketal.提出了两个circRNA形成的模型。模型1名为套索驱动的环化或外显子跳跃(图2a)，模型2为内含子驱动的环化或直接后剪切(图2b)。Kelly和他的同事也发现外显子环化广泛存在，且与TNFα或GFβ处理过的人脐静脉内皮细胞的外显子跳跃有关[3]。尽管有证据显示内含子配对介导的环化可能比套索驱动的环化发生频率更多，已有证据证明内含子配对驱动的环化模型，并表明IRAlus等反向互补序列对于circRNA的形成很重要。很快，在人细胞就发现一类新由内含子产生的circRNA，将其称为环内含子RNA(ciRNAs)。ciRNAs的形成依赖于包含在5′剪切位点附近7-ntGU-rich元件和在分支位点的11-ntC-rich的元件的一致性基序(图2c)[4]。最近也发现外显子可以与滞留在外显子间的内含子发生环化，将这类circRNA称为外显子-内含子circRNA或则EIciRNAs[5]，并发现它们可随其侧翼互补序列过表达。但是EIciRNAs的形成机制目前并不清楚，这也说明了人类转录组的复杂性。另外，研究者已经发现盲肌蛋白可以结合到circMbl的侧翼内含子上，作为RNA结合蛋白将两侧的内含子连接拉近，引起circRNAs的形成。有研究者报道了另外一种circRNAs形成的机制，RNA结合蛋白（RBPs）作为连接两侧内含子的桥梁，使得剪切供体和受体靠近从而促使circRNAs的形成(图2d)。如RBPQuaking(QKI)就调控circRNA的形成，RNA编辑酶ADAR1可以结合到双链RNA上，通过消除茎环结构来抑制circRNA的形成。这表明在一些条件下，RBPs可以作为抑制或激活circRNA的形成。提出了与选择剪切相似的选择环化模型(图3)[6]。在单侧内或两侧内含子中的互补序列引起的竞争性RNA配对，对选择剪切和外显子的环化具有重要影响。在单侧内含子的互补序列可足够促进线性mRNA的形成，相反，在两侧的互补序列则有利于外显子的环化。反向互补序列之间的竞争性可使一个基因加工得到引起多种circRNA转录本(Fig.2)。但是，由于在物种间互补序列分布的不同，选择性环化具有物种特异性，且互补序列的存在对于外显子的环化是必要非充分条件。这一模型表明，选择性环化的机制是很复杂的，且有可能受其他因子调控，如RBPs。图2circRNA发生模型图3选择性环化模型3.circRNAs的性质根据最近的研究表明，后剪切产生的circRNAs有几项值得注意的性质。首先，这些circRNAs为共价闭合环状结构，无5′–3′极性和多聚腺嘌呤尾巴，这也使得它们比线性RNA更加稳定，不易受RNA外核酸酶或RNaseR影响，如在从健康人体无细胞的唾液坚定到的大于400circRNAs。这些结果对circRNAs在任意的细胞液中都存在给出了实验证据。第二，circRNAs种类繁多，在一些案例中，circRNAs分子的丰度是对应线性RNAs的十倍多。第三，circRNAs大多由外显子组成，主要存在于细胞质，可能包含miRNA反应元件。而且，circRNAs可有效地避免所预测miRNA靶位点多态性减少。一些由滞留在外显子间的内含子和内含子或外显子组成的circRNAs，主要存在于主真核生物的细胞核中，可能调控基因的表达。第四，circRNAs经常表现组织或发育阶段特异性。比如hsa_circRNA_2149在CD19+细胞可以检测到，在CD34+细胞neutrophil及HEK293细胞中未检测到。一些线虫的circRNAs在卵巢表达但在1-or2细胞胚胎中不表达。第五，大量的circRNAs是内源的哦非编码RNAs，只要一部分是外源circRNAs被翻译，如Hepatitisδ(HDV)和有IRESs的设计的circRNAs。第六，circRNAs在不同物种间具有进化保守性，但是，一些circRNAs并不完全具有进化保守性。总而言之，这些性质表明，circRNAs在转录和转录后水平具可能有重要潜在作用，在疾病诊断可作为理想的生物标记分子。4.CircRNA的功能4.1CircRNA具有竞争性内源性RNAs或miRNAs功能竞争性内源性RNAs(ceRNAs)含有共享的MREs，比如mRNAs、假基因和长非编码RNA(lncRNAs)，可以竞争性miRNA结合。因此ceRNAs的拥有与否会影响miRNA调控基因的活性。最近一系列证据表明，circRNAs可以miRNAs或有效的ceRNA分子起作用，可以减少microRNA结合位点的多态性。例如，外显子circRNAsciRS-7/CDR1as（miR-7）/CDR1的反义环状RNA）和Sry都可以结合到miRNA上（图4）[7]，并不发生降解，这说明其有极好的ceRNA活性。Hansenetal.发现小脑退化相关蛋白1(CDR1)基因可转录出一种天然反义环状抗小脑退化相关蛋白1转录本(CDR1as)，CDR1as可以和miRNA作用并被miR-671切割。miR-671的结合位点表现几乎完美的互补性，且在物种间极少变异。进一步的研究表明CDR1as有超过70个保守的miR-7互补的子片段，且与Argonaute紧密相结合，而子匹配片段互补的限制性保护其结合miR-7后不被降解。CDR1as的沉默或miR-671的过表达都可引起miR-671靶