环状RNA参与肿瘤发生发展的机制

祝灵平， 陈秀， 何蕴藉， 周思颖， 钟山亮， 赵建华， 唐金海

环状 RNA (circular RNA， circRNA) 在哺乳动物中广泛表达。许多研究表明，环状RNA与胃癌、结直肠癌、乳腺癌、食管癌、肝癌和卵巢癌等多种肿瘤的发生发展有直接或间接的关系。不少文献也证实环状RNA可调节转录和转录后基因的表达，可与蛋白质相互作用进而影响细胞周期进程、细胞衰老和凋亡等生命活动。随着RNA 测序技术和生物学分析的发展，不仅越来越多的环状RNA被发现，而且其具体的作用机制也逐渐被人们所熟知，环状RNA有望成为一种新颖的疾病诊断标志物。本文通过综合国内外有关环状RNA的研究进展，对环状RNA发展历史、起源、主要特征、功能及其参与肿瘤发展进行概述。

1 环状RNA的发展历史

1976年，Sanger等[1]发现，类病毒基因组由单链、闭合RNA分子构成，类病毒能侵染植株并导致其死亡，而死亡植株体内发现了类病毒的基因组RNA。1979年，洛克菲勒大学Hsu 和 Coca-Prados 在电子显微镜下观察到真核细胞的胞质中有环状RNA的存在[2]。1993年，Capel等[3]在小鼠精子决定基因Sry中发现环状RNA转录过程。2006年，Houseley等[4]在果蝇中发现来自Muscleblind的未知环状转录本。2012年，Salzman等[5]通过RNA-Seq方法首次报道80个环状RNA。随着高通量测序技术的发展，大量环状RNA分子被相继发现。Jeck等[6]在人类成纤维细胞中检测出 25 000多种环状RNA；而Memczak等[7]通过结合RNA-seq数据和人白细胞数据库鉴定出1 950种人类环状RNA、1 903种小鼠环状RNA (其中81种与人类环状RNA相同) 和724种线虫环状RNA。

2 环状RNA的起源和特征

环状RNA的种类和形式多种多样，可以起源于基因组序列中任何区域，且同一基因位置产生的环状RNA也可以是不同类型[7-11]。不同于线性RNA，环状RNA是一组3’和5’ 端反向剪接形成共价闭合的环状结构，称为“backsplicing”[9， 12-15]。根据来源主要分为3类：内含子序列形成的环状RNA (circular intronicRNA， ciRNA)，外显子序列形成的环状RNA(exonic circular RNA， ecircRNA) 以及内含子和外显子序列共同形成的环状RNA (exon-intron circular RNA， EIciRNA)[8，10， 16-17]。外显子环状RNA可以由一个或者多个外显子序列组成，主要存在于细胞质内，而内含子环状RNA主要分布在细胞核内[18-19]。由于环状RNA呈封闭环状结构，没有5’—3’的极性和多聚腺苷酸尾巴，故不易被核酸外切酶RNaseR降解，比线性RNA更稳定，进化也是保守的[20-21]。环状RNA广泛存在于人体细胞中，其数量甚至超过线性RNA的10倍。环状RNA具有组织和疾病特异性，在脑组织的含量高，尤其是神经突触中[5-6，22-23]。也有研究发现，环状RNA在细胞外泌体中富集，其可能机制是环状RNA不易被降解，可通过细胞分泌细胞外囊泡途径释放到胞外[24-25]。

3 环状RNA的功能

一直认为，环状RNA是一种mRNA错误剪接体，是一类没有功能的结构，长期被忽视[3， 10， 26]。随着转录本研究的深入和RNA测序技术发展，环状RNA功能慢慢被了解。它们主要参与 miRNA 海绵吸附、转录调控、结合蛋白质、翻译和剪接等 5个方面的调节[27-33]。据报道，环状RNA在多种疾病(如心血管疾病[34]、阿尔茨海默病[35-36]、帕金森[37]等)和肝癌[38]、胃癌[39]、食管癌[40]、结肠癌[41]等肿瘤中发挥重要作用，参与这些疾病生理病理调节过程[42]。

3.1 环状RNA在肿瘤组织中异常表达 环状RNA在肿瘤组织中异常表达，与癌旁组织相比，环状RNA hsa_circ_002059[43]、hsa_circ_0000096[39]、has_circ_0001649[44]表达水平在胃癌组织中下调，而circPVT1[45]在胃癌组织中高表达。Hsa_circ_0000069[46]、hsa_circ_001569[47]、circ-BANP[41]表达水平在结肠癌组织中明显上调，而hsa_circ_001988[48]在结肠癌中低表达。Zhong等[49]在膀胱癌组织芯片中发现circTCF25高表达。Hsa_circ_0067934[40]在食管癌组织中上调，而cir-ITCH[50]在食管鳞癌组织中明显下调。 Xuan等[51]发现，hsa_circRNA_100855在喉癌组织中上调，而hsa_circRNA_104912在喉癌组织中下调。同样有研究发现hsa_circ_0005075[52]、circZKSCAN1[53]在肝癌组织中上调。

3.2 环状RNA参与肿瘤的增殖、转移、凋亡 环状RNA在癌症研究领域备受关注，多项研究表明，他们可以通过相关信号通路来影响细胞增殖、分化、转移和凋亡等发展过程。例如，叉形头盒 O3 环状 RNA(circRNA-forkhead box O3， circ-Foxo3) 能与缺氧诱导因子 (hypoxia inducible factor 1α， HIF1α) 和局部粘着斑激酶 (focal adhesion kinase， FAK) 相结合，这些蛋白质被捕获，它们的功能无法发挥，从而促进细胞衰老。circ-Foxo3能 与 细 胞 周 期 蛋 白 依 赖 性 激 酶 2 (cyclindependent kinase 2， CDK2) 和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 p21 形成三元复合物抑制 CDK2 的活性，将细胞阻滞在 G1/S 期，影响细胞周期进展，抑制细胞增殖[54-55]。circHIPK3可以海绵吸附miR-124调节基因如蛋白磷酸酶调节分子(protein phosphatase 1 regulatory subunit 13 like，iASPP)影响肿瘤细胞增殖[56-57]。此外，长非编码RNA和环状RNA可以在mRNA和蛋白水平上调节mir-671诱导上调凋亡相关因子caspase8和p38表达，促进神经元细胞凋亡[58]。早幼粒细胞白血病/视黄酸受体α(promyelocytic leukemia/retinoic acid receptorα，PML/RARA)和酸甲基转移酶2A(lysine methyltransferase 2A，MLL)基因融合、生产环状RNA(f-circm9和f-circpr)被敲除后会导致大量肿瘤细胞凋亡[59]。cir-ITCH可结合miR-7和miR-214增强E3泛素蛋白连接酶(itchy E3 ubiquitin protein ligase ，ITCH)表达，从而抑制Wnt/β-catenin信号通路[50]。同时，cZNF292下调被证实有助于降低核因子κb(nuclear factorκB，NF-κB)、转录因子E2F transcription factor 1(E2F1)、Sp1 transcription factor(SP1)、hypoxia inducible factor 1(HIF-1)、AP-1transcription factor subunit(AP-1)、信号转导和转录激活子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)、信号转导和转录激活子5(signal transducer and activator of transcription 5，STAT5)，从而抑制肿瘤细胞生长[60-61]。环状RNA表达受到许多癌症相关通路和信号转导通路的影响，包括磷脂酰肌醇3激酶/Akt(Phosphoinositide 3-Kinase/Akt ，PI3K/Akt)和NFκB，转化生长因子β(transforming growth factorβ，TGF-β)等[62]。环状RNA可能在肿瘤发生、发展以及侵袭转移中发挥重要作用[46， 53， 63]。

4 环状RNA可能成为新型的肿瘤诊断及治疗标志物

随着RNA测序和其他检测技术的应用，我们注意到，环状RNA在许多肿瘤中差异表达现象很普遍，包括食管癌、胃癌、膀胱癌、结肠癌、肝细胞癌等肿瘤中环状RNA的表达。Li等[24]发现，外泌体中环状RNA(exosome circRNA， exo-circRNA)含量比细胞丰富，且性质稳定，而血清中多种 exo-circRNA 在癌症患者和健康人中具有明显差异表达，环状RNA可通过外泌体传递某种信号到远处靶细胞，从而可以初步实现肿瘤患者的早期诊断和鉴别诊断。由于环状RNA比线性RNA更稳定，起源于易种植肿瘤，环状RNA可以贮存在细胞囊泡中通过胞吐方式释放进入血液循环，使得环状RNA在临床创伤小、易于获得的采集体液 (如唾液、 血液等)中更容易被检测和被提取[64-65]。这些特点为环状RNA成为肿瘤诊断和靶向治疗标志物提供了临床优势。环状RNA有可能成为人类肿瘤中理想分子标志物，用于某些肿瘤的靶向治疗。

5 环状RNA的应用与挑战

环状RNA可通过调控miRNA间接实现其功能，环状RNA 与miRNA 之间既存在竞争关系又存在协同关系，可以把环状RNA作为靶标来调控miRNA，进而调控一系列生命活动，他们之间的平衡对生物体至关重要。目前，虽然已有大量证据证明环状RNA参与基因的表达调控、肿瘤的发生和发展过程，但环状RNA大部分功能还是未知的，且探索环状RNA的工具也是有限的，因此更深入研究将面临着挑战。

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