环状RNA的研究进展

肖时曦王涛

环状RNA的研究进展

肖时曦1，2王涛3*

环状RNA（circular RNA，circRNA）又称环形RNA，是新近确认的一类特殊的非编码RNA（ncRNA），主要由外显子和（或）内含子构成。近年来研究发现，在某些疾病（如肿瘤、动脉粥样硬化、糖尿病、神经系统疾病）的发生发展过程中circRNA起着重要的调控作用，这不仅使我们对环状RNA有了更好认识，而且在某些疾病的诊断、治疗及预防方面也为我们提供了新的研究方向。

环状RNA；非编码RNA；疾病诊断；治疗

非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）是指不编码蛋白质的RNA，其广泛存在于各种生命体内，并对生命活动具有重要调控作用。研究发现，在人类基因组中，仅有1%～2%的基因能编码蛋白质［1］，而绝大多数基因产生的是非编码RNA。circRNA作为一类特殊的非编码RNA，过去认为是由于错误的剪接所产生的，近年来随着生物测序技术发展，越来越多circRNA逐渐呈现在我们眼前，通过对其研究发现，在肿瘤、神经系统疾病、动脉粥样硬化等疾病的发生发展过程中具有重要的调控作用，同时也具有进化保守性、结构稳定性和组织特异性等特征［2］，本文通过对circRNA起源、作用以及与疾病的关系作一综述。

1 circRNA的发现与特征

CircRNA作为非编码RNA一种，最早于1976年由Sanger等［3］在类病毒研究中发现作为遗传物质的单股RNA是以首尾连接成环存在的，1979年，Hsu等［4］利用电镜在Hela细胞中发现环状RNA至少占到总RNA的1%～2%，1991年，Nigro等［5］在对候选肿瘤抑制基因（DCC）的研究中发现，外显子在转录过程中存在异常的连接形式，随后于1993年Cocquerelle等［6］研究中证实，由外显子转录异常连接形成的是一类位于细胞质中且稳定存在的circRNA分子。过去人们一直认为circRNA是由于错误的剪接所产生的，在生命活动中不具有特殊的功能，近年来，随着RNA测序技术的发展，关于circRNA的认识也越来越多，Jeck等［2］在人成纤维细胞至少检测到25 000种circRNA，Memczak等［7］通过RNA测序数据分析分别从人、小鼠、线虫中找到大约2000种、1900种、700种circRNA，Guo等［8］发现与人相关的circRNA有7112种，与小鼠相关的circRNA有635种，Werfel等［9］通过对人、小鼠、大鼠的研究发现，每个物种中至少存在9000种circRNA。虽然发现的circRNA种类较多，但具体功能仍不清楚，近年来，特别是国际权威期刊Nature发表的两篇关于circRNA生物学功能的文章［7，10］，才进一步使circRNA成为研究热点，同时也为我们做进一步的研究奠定了基础。有关CircRNA的来源，据现有文献报道，circRNA主要有3种来源形式：外显子来源的circRNA分子（exoniccircRNA）：通过5′端-3′端连接成环［7，11，12］；内含子来源的circRNA分子（circular intronic RNA）：通过5′端-2′端连接成环［13］；外显子和内含子共同组成的circRNA分子（如图1）［14］，所产生的circRNA大部分被释放到细胞质中［2，7，12，15］，但到目前为止具体的转移机制仍不是很明确。

研究发现，circRNA主要具有以下特征：①由特殊的可变剪接所产生的，大部分由外显子产生，少部分内含子来源，广泛的存在于细胞质中，少量内含子来源的位于细胞核当中［16］；②与线性RNA相比，数量庞大，具有结构稳定性、组织特异性［2］；③不具有游离的5’端、3’端，因此不易被核酸外切酶降解［17］；④富含miRNA结合位点，与相应的microRNA结合，起到海绵作用［10］，circRNA的其他特征还有待进一步阐明。

图1 Models of circRNA biogenesis(A)Exon-skipping of pre-mRNA produces linearmRNAs and forms circles of the rest；(B)Introns with comp lementary ALU repeats form circles through base-pairing；(C)RNA binding p roteins binding to the target sites in the flanking introns induce circularization［14］

2 circRNA的功能

近年来随着生物测序技术的发展，有关circRNA的功能方面的报道也越来越多，但就现有研究发现，有关circRNA研究主要集中在与miRNA调控关系上，而在其他方面的功能还有待我们的进一步去发现。

2.1 circRNA与miRNA的相互作用

近年来对circRNA与miRNA的研究越来越火热，而目前研究相对成熟的主要有SrycircRNA和 ciRS-7。Capel等［18］研究发现，位于小鼠Y染色体的性别决定基因（Sry）可转录生成相应的circRNA，随后在Hansen等［10］研究中发现，SrycircRNA含有16个miRNA结合位点，能与microRNA-138（miR-138）结合，起到海绵作用，并影响相应基因的表达。另外，小脑退行性相关蛋白基因1（CDR1）反义链转录生成的circRNA分子CDR1as/ciRS-7，广泛的存在于人和小鼠的大脑中［12］，研究发现，ciRS-7拥有73个microRNA-7（miR-7）结合位点，与miR-7海绵吸附后，可明显抑制miR-7的功能，同时也可使miR-7作用靶点的表达水平明显增高。然而进一步研究发现，miRNA与circRNA存在海绵吸附作用的同时，也可使circRNA裂解，如microRNA-671与ciRS-7结合后，可使ciRS-7裂解，并可释放与之结合的miR-7（如图2）［10］。Thomas等［19］研究发现，越来越多的circRNA对miRNA具有吸附作用，就好像miRNA作用于mRNA一样常见，但到目前为止，仅有少数得到验证。

图2 M odes of ciRS-7 act asmiR-7“sponge”（A）ciRS-7 functions as amiR-7 inhibitor。（B）ciRS-7 functions as amiR-7 buffer.（C）ciRS-7 functions asamiR-7 reservoir.In this scenario，release ofmiR-7 bymiR-671-directed cleavage of ciRS-7results in p rom pt and efficient rep ression ofmiR-7 targets，thus providing immediate and potent spatiotem poral activation of miR-7 activity［10］

2.2 circRNA与蛋白质的相互作用

随着对circRNA的逐渐深入研究，人们发现circRNA不仅可以直接与蛋白结合，而且还可以通过RNA介导间接与某些蛋白质结合。Ashwal-Fluss等［20］在果蝇和人类研究发现，剪切因子MBL可与第2号外显子结合促使circRNA（circMBL）的产生，而所产生的circMBL的侧翼内含子上又有MBL的结合位点，减少MBL的数量可以明显影响circMBL的生成。同时相关研究发现，circRNA与RNA结合蛋白结合（RNA-binding proteins RBPs）后，可调节相应RBPs或RNAs的胞内运输［21，22］。

2.3 circRNA的翻译功能

AbouHaidar等［23］研究发现，在水稻黄斑驳病毒中存在一类高度稳定的且具有220 nt的circRNA分子，该类circRNA存在内部核糖体结合位点，与核糖体结合后可翻译出相应的蛋白质。而在真核生物的研究中目前暂未见有关circRNA编码蛋白质的报道。

3 circRNA临床研究

随着人们对circRNA结构和功能研究发现，在某些疾病的发生发展过程中cincRNA起着重要的调控作用，目前有关circRNA与人类疾病的研究主要集中在circRNA与肿瘤的方面［24-28］，而在其他疾病方面的研究目前相对较少。

3.1 circRNA与肿瘤

近年来随着我们对circRNA不断深入研究发现，在越来越多的肿瘤中circRNA起着重要的调控作用，研究表明，CDR1as/miR-7可通过多条途径影响肿瘤细胞的生长繁殖，如表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）［29］，胰岛素受体底物1（insulin receptorsubstrate-1，IRS-1）［29］，IRS-2［29］，p21活化激酶1（p21-activated kinase 1，PAK1）［30］，ACK1［31］，磷脂酰肌醇-3激酶催化亚基δ（phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit delta，PIK3CD）［32］，钙黏蛋白E（E-cadheri）［26］等。在大肠癌中，Huang等［25］对45例病变组织研究发现，与相应的癌旁组织相比，circ-ITCH明显的下调，进一步研究发现circ-ITCH通过Wnt/β-catenin通路影响ITCH的表达水平。在肝癌方面，Qin等［27］通过对89例肝癌样本及相对应的癌旁组织研究发现，hsacirc-0001649明显下调，同时进一步猜测在肝癌的诊断过程中hsa-circ-0001649有可能作为一种分子诊断标记物，并且有可能在肝癌的发生、发展及转移过程中具有一定的作用，但具体还有待我们进一步研究。在胃癌中，Li等［28］通过对101例配对的组织样本和36例配对的血液样本研究发现，hsacirc-002059明显下调，据此作者猜测circRNA在胃癌的诊断过程中有可能作为一种分子标记物，但还有待我们进一步验证。近年来随着circRNA在肿瘤方面的深入研究，我们发现越来越多且具有特征性的circRNA进一步呈现［33，34］。就目前而言，对于circRNA与肿瘤之间的关系，我们认识的时间还比较短暂，大部分的作用机制还不是很明确，而作为分子诊断标记物这一方面目前还是假设阶段，具体还有待进一步研究。

3.2 circRNA与神经系统疾病

研究表明，在哺乳动物的脑组织中存在着丰富的circRNA［7，10］，CDR1as/ciRS-7作为目前研究的较多的circRNA，最早发现于脑组织，特别是小脑，近年来，Lukiw［35］研究发现，在阿尔茨海默症（Alzheimer′sdisease，AD）有关的海马CA1区，ciRs-7与AD有关脑细胞的miR-7结合，从而使影响miR-7与mRNA的结合，并进一步影响mRNA的表达。Junn等［36］研究发现，在帕金森氏病（Parkinson′s disease，PD）模型的细胞和老鼠中发现，α-突触核蛋白在神经元中的表达水平与PD发病有关，而miR-7低表达时可能会导致α-突触核蛋白的高表达，从而进一步猜测miR-7可能与PD的发病有关。

3.3 circRNA与糖尿病

Xu等［37］研究发现，在转基因小鼠的胰岛细胞中，过表达的miR-7可明显导致胰岛素分泌不足，而当CDR1as与miR-7结合后，可抑制miR-7的表达，导致胰岛素分泌明显增加，因此，在胰岛素分泌不足的糖尿病治疗方面，CDR1as给我们提供了一个新的方向。

3.4 circRNA与心脏疾病

研究表明，miRNA在心脏相关疾病的发生发展过程中起着重要作用，而近年来随着circRNA与miRNA相互关系的研究发现，有关circRNA与miRNA在心脏方面的报道也越来越多，Wang等［38］研究发现，miR-223在转基因小鼠中可导致心脏肥大和心力衰竭，进一步研究发现存在一类与心脏相关的circRNA（heart-related circRNA，HRCR），HRCR对miR-223具有海绵吸附并抑制其活性，并进一步抑制心肌肥厚的发生，根据这一研究结果，今后在有关心肌肥厚和心力衰竭的治疗过程中可以为我们提供一个新的方向。而在先天性心脏病（congential heart defects，CHD）方面，miRNA与各种CHD的研究已相对成熟，Li等［39］在室间隔缺损（ventricular septal defect，VSD）患者中研究发现，miR-1-1明显表达下调，miR-181c表达上调，O-Brien等［40］在法洛氏四联症（tetralogy of Fallot，TOF）患儿研究中发现，有61个miRNA具有显著变化，并选取其中5种miRNA（miR-1275、miR-27b、miR-421、miR-1201和miR-122）进一步验证发现与TOF的发生发展具有重要关系。虽然目前有关miRNA与CHD的研究已相对成熟，但有关circRNA与CHD的研究目前少有报道，circRNA相对miRNA而言结构更稳定，同时研究表明，circRNA主要通过miRNA发挥作用，因此，在CHD的发生发展过程中，circRNA或许也发挥着重要作用。

3.5 circRNA与其他疾病

随着对circRNA的不断深入研究，越来越多与circRNA有关的疾病逐渐被发现，如动脉粥样硬化［41］，病毒性肝炎［42］等，根据目前研究发现，circRNA在生物体中数量庞大，但有关circRNA与各种疾病之间关系的仍不是很多，随着生物技术的发展，相信在不久的将来有关circRNA与疾病之间的关系将逐渐呈现在我们面前。

4 展望

近年来随着生物测序技术的发展，越来越多的circRNA逐渐被发现，同时有关circRNA的起源、特征、作用以及与疾病关系之类的报道也越来越多，特别是相关circRNA数据库［43，44］的建立，为我们在circRNA的研究过程中奠定了基础。据以往有关circRNA与疾病的报道发现，目前大部分还处于探索阶段，而有关疾病诊断、治疗方面的研究还知之甚少，特别近年来随着精准医疗的提出，今后有关疾病诊断及治疗将逐渐侧重基因方面，而circRNA作为一类特殊的非编码RNA，因其固有的特征，今后可能在这方面发挥巨大作用。

［1］ENCODE Project Consortium.An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome［J］.Nature，2012，489（7414）：57-74.

［2］Jeck WR，Sorrentino JA，Wang K，et al.Circular RNAs are abundant，conserved，and associated with ALU repeats［J］. RNA，2013，19（2）：141-157.

［3］Sanger HL，Klotz G，Riesner D，et al.Viroids are singlestranded covalently closed circular RNA molecules existing as highly base-paired rod-like structures［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1976，73（11）：3852-3856.

［4］Hsu MT，Coca-Prados M.Electron microscopic evidence for the circular form of RNA in the cytoplasm of eukaryotic cells［J］. Nature，1979，280（5720）：339-340.

［5］Nigro JM，Cho KR，Fearon ER，et al.Scrambled exons［J］. Cell，1991，64（3）：607-613.

［6］Cocquerelle C，Mascrez B，Hétuin D，etal.Mis-splicing yields circular RNAmolecules［J］.FASEB J，1993，7（1）：155-160.

［7］Memczak S，Jens M，Elefsinioti A，eta1.Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency［J］. Nature，2013，495（7441）：333-338.

［8］Guo JU，Agarwal V，Guo H，et al.Expanded identification and characterization of mammalian circular RNAs［J］.Genome Biol，2014，15（7）：409.

［9］Werfel S，Nothjunge S，Schwarzmayr T，et al.Characterization of circular RNAs in human，mouse and rat hearts［J］.JMol Cell Cardiol，2016，98：103-107.

［10］Hansen TB，Jensen T，Clansen BH，etal.Natural RNA circles function asefficientmicroRNA sponges［J］.Nature，2013，495（7441）：384-388.

［11］Cocquerelle C，Mascrez B，Hétuin D，et al.Mis-splicing yields circular RNA molecules［J］.FASEB J，1993，7（1）：155-160.

［12］Hansen TB，Wiklund ED，Bramsen JB，et al.miRNA-dependentgene silencing involving Ago2-mediated cleavage of a circular antisense RNA［J］.EMBO，2011，30（21）：4414-4422.

［13］Zhang Y，Zhang XO，Chen T，et al.Circular intronic long noncoding RNAs［J］.Mol Cell，2013，51（6）：792-806.

［14］Salzman J，Chen RE，Olsen MN，et al.Cell-type specific features of circular RNA expression［J］.PLoSGenet，2013，9（9）：e1003777.

［15］Salzman J，Gawad C，Wang PL，et al.Circular RNAs are the predominant transcript isoform from hundreds of human genes in diverse cell types［J］.PLoSOne，2012，7（2）：e30733.

［16］Zhang XO，Wang HB，Zhang Y，etal.Complementary sequencemediated exon circularization［J］.Cell，2014，159（1）：134-147.

［17］Suzuki H，Tsukahara T.A view of pre-mRNA splicing from RNase R resistant RNAs［J］.Int JMol Sci，2014，15（6）：9331-9342.

［18］Capel B，Swain A，Nicolis S，et al.Circular transcripts of the testis-determining gene Sry in adult mouse testis［J］.Cell，1993，73（5）：1019-1030.

［19］Thomas LF，Sætrom P.Circular RNAs are depleted of polymorphisms atmicroRNA binding sites［J］.Bioinformatics，2014，30（16）：2243-2246.

［20］Ashwal-Fluss R，Meyer M，Pamudurti NR，et al.circRNA biogenesis competes with pre-mRNA splicing［J］.Mol Cell，2014，56（1）：55-66.

［21］Hentze MW，Preiss T.Circular RNAs：splicing′s enigma variations［J］.EMBO J，2013，32（7）：923-925.

［22］Jeck WR，Sharpless NE.Detecting and characterizing circular RNAs［J］.Nat Biotechnol，2014，32（5）：453-461.

［23］AbouHaidar MG，Venkataraman S，Golshani A，et al.Novel coding，translation，and gene expression of a rep licating covalently closed circular RNA of 220 nt［J］.Proc Natl Acad SciU SA，2014，111（40）：14542-14547.

［24］Hansen TB，Kjems J，Damgaard CK.Circular RNA and miR-7 in cancer［J］.Cancer Res，2013，73（18）：5609-5612.

［25］Huang G，Zhu H，Shi Y，et al.cir-ITCH plays an inhibitory role in colorectal cancer by regulating the Wnt/β-catenin pathway［J］.PLoSOne，2015，10（6）：e0131225.

［26］Kong X，Li G，Yuan Y，et al.MicroRNA-7 inhibits epithelial-to -mesenchymal transition andmetastasis ofbreast cancer cells via targeting FAK expression［J］.PLoSOne，2012，7（8）：e41523.

［27］Qin M，Liu G，Huo X，et al.Hsa_circ_0001649：A circular RNA and potential novel biomarker for hepatocellular carcinoma［J］.Cancer Biomark，2016，16（1）：161-169.

［28］Li P，Chen S，Chen H，et al.Using circular RNA as a novel type of biomarker in the screening of gastric cancer［J］.Clin Chim Acta，2015，444：132-136.

［29］Kefas B，Godlewski J，Comeau L，et al.microRNA-7 inhibits the epidermal growth factor receptor and the Akt pathway and is down-regulated in glioblastoma［J］.Cancer Res，2008，68（10）：3566-3572.

［30］Reddy SD，Ohshiro K，Rayala SK，et al.MicroRNA-7，a homeobox D10 target，inhibits p21-activated kinase 1 and regulatesits functions［J］.CancerRes，2008，68（20）：8195-8200.

［31］Saydam O，Senol O，Würdinger T，et al.miRNA-7 attenuation in Schwannoma tumors stimulates growth by upregulating three oncogenic signaling pathways［J］.Cancer Res，2011，71（3）：852-861.

［32］Fang Y，Xue JL，Shen Q，et al.MicroRNA-7 inhibits tumor growth and metastasis by targeting the phosphoinositide 3-kinase/Akt pathway in hepatocellular carcinoma［J］.Hepatology，2012，55（6）：1852-1862.

［33］Xuan L，Qu L，Zhou H，etal.Circular RNA：a novel biomarker for progressive laryngeal cancer［J］.Am J Transl Res，2016，8（2）：932-939.

［34］Sand M，Bechara FG，Gambichler T，et al.Circular RNA expression in cutaneous squamous cell carcinoma［J］.JDermatol Sci，2016，83（3）：210-218.

［35］Lukiw WJ.Circular RNA（circRNA）in Alzheimer′s disease（AD）［J］.FrontGenet，2013，4：307.

［36］Junn E，Lee KW，Jeong BS，etal.Repression of alpha-synuclein expression and toxicity by microRNA-7［J］.Proc Natl Acad SciUSA，2009，106（31）：13052-13057.

［37］Xu H，Guo S，LiW，et al.The circular RNA Cdr1as，viamiR-7 and its targets，regulates insulin transcription and secretion in islet cells［J］.SciRep，2015，5（1）：385-393.

［38］Wang K，Long B，Liu F，et al.A circular RNA protects the heart from pathological hypertrophy and heart failure by targetingmiR-223［J］.Eur Heart J，2016，37（33）：2602-2611.

［39］Li J，Cao Y，Ma XJ，et al.Roles ofmiR-1-1 and miR-181c in ventricular septal defects［J］.Int JCardiol，2013，168（2）：1441-1446.

［40］O′Brien JE Jr，Kibiryeva N，Zhou XG，et al.Noncoding RNA expression in myocardium from infants with tetralogy of Fallot［J］.Circ Cardiovasc Genet，2012，5（3）：279-286.

［41］Burd CE，JeckWR，Liu Y，etal.Expression of linear and novel circular forms of an INK4/ARF-associated non-coding RNA correlates with atherosclerosis risk［J］.PLoSGenet，2010，6（12）：e1001233.

［42］Taylor JM.Hepatitis delta virus［J］.Virology，2006，344（1）：71-76.

［43］Glažar P，Papavasileiou P，Rajewsky N.circBase：a database for circular RNAs［J］.RNA，2014，20（11）：1666-1670.

［44］Liu YC，Li JR，Sun CH，etal.CircNet：a database of circular RNAs derived from transcriptome sequencing data［J］.Nucleic Acids Res，2016，44（D1）：D209-215.

Research progress of circular RNA

XIAO shixi1，2，WANG Tao3.
1Medical University ofSouth China，Hengyang，Hunan，China 421001；2Shenzhen Sun Yat-sen Cardiovascular Hospital，Shenzhen，Guangdong 518000，China；3Peking University Shenzhen Hospital，Shenzhen，Guangdong 518036，China.Corresponding author：WANGTao,szwangtao@126.com

Circular RNA（circ RNA），is a special kind of newly confirmed noncoding RNA（ncRNA），ismainly composed of exons and（or）introns.In recent years，the study found that in some diseases（such as cancer，atherosclerosis，diabetes，neurological diseases）in the process of the development of circRNA plays an important role in regulation，this not only makes us have a better understanding of circular RNA，and in diagnosis，treatment and prevention of certain diseases also provides a new research direction for us.

circular RNA；non-coding RNA；diagnosis；therapy

R34

A

10.3969/j.issn.1009-976X.2017.01.030

2016-12-25）

深圳市小儿心脏外科重点专科

1421001湖南衡阳南华大学医学院；2518000广东深圳深圳市孙逸仙心血管医院；3518036广东深圳北京大学深圳医院

∗通讯作者：王涛，E-mail：szwangtao@126.com