环状RNA 的生物学功能

宋新强 张丽丽

(河南省信阳师范学院生命科学学院 464000)

1 环状RNA的发现

环状RNA(circRNA) 也可称为环形RNA，是新近确认的一类特殊的非编码RNA(ncRNA)分子，广泛且多样地存在于哺乳动物细胞中，具有调控基因表达的作用，是RNA领域最新的研究热点。circRNA 最早于20 世纪70 年代在RNA 病毒中被发现[1]。1979年，Hsu[2]利用电子显微镜第一次观察到RNA 可以以环状的形式存在于真核细胞的细胞质中。紧接着，Arnberg 等[3]在酵母的线粒体中又发现了circRNA。1993年，在人体细胞的转录产物中也发现了一些由外显子来源的circRNA。但是，当时仅仅认为circRNA是一类因外显子转录过程发生错误剪接而形成的低丰度RNA 分子，因而对它们的研究不够深入，以至于到1999 年发现的circRNA 数目也只有少数几种[4]。随着RNA 测序(RNA-seq) 和生物信息学等技术的快速发展，人们在大规模研究转录组数据时发现，circRNA 并不像之前所认为的那样是一种极罕见现象。相反，其大量存在于真核细胞中。Jeck 等[5]在人类成纤维细胞中检测出高达25000 多种的circRNA； Memczak 等[6]通过RNA-seq 数据结合人白细胞数据库鉴定出1950 种人类circRNA、1903 种小鼠circRNA (其中81 种与人类circRNA 相同) 和724 种线虫circRNA。Danan 等[7]发现，circRNA 在古生菌细胞中也普遍存在，并认为其极有可能具有生物学功能。

2 circRNA 的形成过程

目前发现的circRNA分子根据其在基因组中的来源及其构成序列的不同可以分为以下三类，即外显子来源的环状RNA分子(exonic circRNAs)、内含子来源的环状RNA分子(ciRNAs)以及由外显子和内含子共同组成的环状RNA分子(retained-intron circRNAs)[8]。尽管其加工成熟机制尚不完全清楚，但是目前的研究表明，这三类环状分子具有完全不同的产生方式。①exonic circRNAs，由非顺序剪接，通过反向剪接形成。exonic circRNAs在细胞中广泛存在。目前对于其反向剪接的机制推测有两种模型。其中一种模型认为，在pre-RNA的转录过程中，由于RNA发生部分折叠，拉近了原本非相邻的外显子，从而发生外显子跳跃，使得被跨越的区域形成环状RNA中间体，进一步通过剪接形成由外显子构成的环状RNA分子；另一种模型认为，位于内含子区域的反向互补序列导致内含子区域配对，介导反向剪接从而形成环状RNA分子。②ciRNAs，大多数内含子在经过剪接后形成套索结构，通常情况下经过脱分支后很快被降解。研究发现，一些内含子如果含有某些关键的核酸序列，就可以在剪接发生后不被脱分支酶作用，从而形成内含子来源的ciRNAs。与exoniccircRNAs最大的区别是：ciRNAs是3′-5′磷脂键环化的分子，exonic circRNAs是2′-5′磷脂键环化的分子。③retained-intron circRNAs，在反向剪接形成exonic circRNAs的过程中，由于某种原因含有未剪接内含子的环状RNA分子也可以稳定存在，这类环状RNA分子可能是剪接过程中的中间体，也有可能是一类独立存在的环状RNA分子。

3 circRNA的主要特征

circRNA 具有以下重要特征：① circRNA 由特殊的可变剪切产生，大量存在于真核细胞的细胞质中，但少部分内含子来源的circRNA 则存在于核酸内，具有一定的组织、时序和疾病特异性；② 广泛存在于人体细胞中，有时甚至超过它们线性异构体的10 倍之多；③ 与传统的线型RNA (linearRNA，含5′和3′末端) 不同，circRNA 分子呈封闭环状结构，不易被核酸外切酶RNaseR 降解，比线性RNA 更稳定；④具有高度保守性，部分具有快速的进化性改变；⑤ 大多数来源于外显子，少部分由内含子直接环化形成；⑥可充当竞争性内源RNA，在细胞中起到miRNA 分子海绵的作用；⑦大部分是非编码RNA；⑧大多数circRNA 能在转录或转录后水平发挥调控作用，少数只能在转录水平发挥作用。circRNA 的其他特征还有待阐明。

4 circRNA生物学功能

经过RNA深度测序并结合生物信息学分析，从古生菌到人类细胞中发现大量的环状RNA分子。近期的研究表明，这类广泛存在的环状RNA分子并不是剪接副产物，而是具有功能的生物大分子，包括充当miRNA分子海绵，调控基因转录，与RNA结合蛋白相互作用，翻译蛋白质等[9]。

4.1 类似miRNA分子海绵的作用 细胞内的竞争性内源RNA具有数量和种类不等的miRNA结合位点，可以竞争性的结合miRNA，降低miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达水平。研究表明，两个来源于基因外显子的exonic circRNAs可以像竞争性内源RNA那样，起到miRNA分子海绵的作用，通过吸附miRNA，进而调控基因表达水平。其中之一为定位于胞浆中的CDR1as，其主要在人和老鼠的脑中表达。CDR1as长度约为1.5 kb，含有74个miR-7的结合位点，其中超过60个位点是保守的。敲除CDR1as，可降低miR-7靶分子的表达水平；反之，过表达CDR1as，则抑制miR-7的作用。另一条作为miRNA分子海绵的环状RNA分子Sry也具有类似的特征和功能，含有miR-138的16个结合位点，通过竞争性结合miR-138，从而减弱miR-138的抑制作用。目前只有上述CDR1as和Sry这两条环状RNA分子被证明具有miRNA分子海绵功能，而其他大部分环状RNA分子含有很少的miRNA结合位点。

4.2 调控基因转录 近期，有关课题组[8]鉴定出一种来源于基因内含子区域的新型环状RNA分子(ciRNAs)，初步研究表明，这些ciRNAs可参与基因转录调控。与exonic circRNAs不同，ciRNAs含有很少的miRNA结合位点，并且主要定位于细胞核中。通过DNA/RNA 双原位杂交实验，显示部分ciRNAs定位于其转录位点附近，并可以结合RNA聚合酶II复合体，通过未知的机制影响RNA聚合酶II的转录，从而对其parent基因发挥顺式调控作用。ciRNAs除了在其转录位点富集，还在细胞核的其他区域有点状聚集，提示其可能还发挥反式调节作用。

4.3 与RNA结合蛋白的相互作用 线性RNA吸附蛋白因子已有报道，同样，环状RNA分子也可以吸附蛋白因子。例如，CDR1as和Sry与miRNA效应因子Argonaute (AGO)的结合，ciRNAs与RNA聚合酶II复合体的相互作用[10]，提示环状RNA分子可以作为脚手架，为蛋白质与RNA、蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质之间的相互作用提供平台。

4.4 蛋白质翻译 除了可以在RNA水平发挥功能，环状RNA分子还可以像线性mRNA分子一样翻译形成蛋白质。例如，B型肝炎病毒中的环状RNA分子hepatitis δ，能够编码一个病毒相关蛋白，并在疾病的发生中发挥作用[11]。但是，这种现象目前只在病毒中得到观察。在真核生物中，含有ATG起始密码子的环状RNA分子能否像线性mRNA一样被核糖体识别进行蛋白质的翻译，还需进一步确认。

4.5 作为生物标志物 circRNA在结构上较线性RNA具有更高的稳定性，其组织特异性和稳定性使其有可能成为一种良好的生物标志物。另外，circRNA 与疾病发生的密切相关，通过与疾病关联的miRNA 相互作用，circRNA 在疾病发生中发挥着重要的调控作用，可望成为新型的疾病临床诊断标志物。

(基金项目：国家自然科学基金项目“基于SlSCPx稳定细胞株高通量筛选昆虫生长抑制剂及抑制活性研究”，No. 31501902；河南省科技厅项目“基因拷贝数变异与类风湿关节炎遗传易感性的关联研究”，No. 142102310050；河南省教育厅项目“6p21.3和1q31.3区拷贝数变异与类风湿关节炎遗传易感性的关联及机制研究”，No. 14B310010；2014年大学生科研项目“补体因子H相关蛋白基因多态性与类风湿关节炎相关性研究”)