环状RNA在猪中的研究进展

乔木+程碧军+付晶+武华玉+吴俊静+刘贵生+梅书棋+彭先文

摘要：环状RNA（circular RNA，circRNA）对基因的表达有重要调控作用，综述了circRNA的特征、形成机制及生物学功能，并对近年circRNA在猪中的研究进展进行了归纳总结。

关键词：环状RNA；分子特征；生物学功能

中图分类号：S828；Q78 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）24-4685-03

环状RNA（circular RNA，circRNA）呈闭合环状，是一类不具有5′末端帽子和3′末端尾巴的特殊内源性非编码RNA，是目前RNA研究领域的新热点，普遍存在于人、鼠、猕猴、猪等各类动物体内[1-5]。研究发现circRNA在转录本中实际上所占比例相当大，一些基因的circRNA表达量至少是其线性转录本的10倍[1]。近年来的研究显示，circRNA在生物的发育进程中发挥了重要的生物学功能，同时对于基因表达也具有重要调控作用，包括对其亲本基因及与之结合miRNA的靶基因调控。环状RNA在生物体内非常稳定，在疾病的发生与发展过程中也扮演着重要角色，这使circRNA的研究具有重大意义。

1 环状RNA的发现

1976年，Sanger等[2]利用电镜首先在植物感染的类病毒（Viroids）中发现了这些以共价键形成的闭合环状单链RNA分子。1990年，首次在真菌细胞中发现其踪迹，Matsumoto等[6]在酿酒酵母中发现20S RNA没有自由的5′端和3′端，通过电镜觀察发现是呈环形的RNA分子。随后发现从肿瘤抑制基因DCC、人Ets-1基因以及小鼠Sry基因中转录而来的环状RNA[7-9]。尽管在真核细胞中早已发现了circRNA的存在，但却被视为一种由外显子转录发生剪接错误而未能引起科学家的关注[9]。

随着RNA测序（RNA sequencing，RNA-seq）技术的发展及生物信息技术的更新和完善，使生物学家们累积了大量的RNA序列数据，其中一些来自无尾巴的RNA，于是circRNA的研究成为新热点[1]。近年来，科学家们陆续在哺乳动物中发现了大量内源性、保守且稳定的circRNA，在动物（人、小鼠、果蝇、线虫、斑马鱼等）、植物（拟南芥）、真菌（酿酒酵母等）、原生生物（疟原虫等）中的circRNA存在明显的差异[10]。Danan等[11]在古细菌中发现circRNA大量存在并具有一定的生物学功能，且具有很高的保守性。

2 环状RNA的特征

目前已鉴定的circRNA主要有以下特征：①circRNA存在于多种真核生物中，在同种生物的不同组织中也广泛存在[2-8]。它们在人体细胞中广泛表达，有些circRNA的表达水平甚至超过其线性异构体10倍之多[1，12]。②多数具有高度保守序列[1，12]，仅少数在进化上不保守[13]。③大多数定位于细胞质中，少数定位于细胞核内[13]。④多由一个或多个外显子形成，少数来源于内含子或内含子片段。⑤大部分是非编码RNA（noncodingRNA，ncRNA）。⑥circRNA 呈闭合环状结构，不具有像线性RNA的5′和3′游离末端，不易被RNA核糖核酸酶R（Ribonuclease R，RNase R）分解，与线性RNA相比更稳定[13]。环状RNA的半衰期一般超过48 h，可利用RNase R消化其他RNA，提纯circRNA[14]。因此RNase R的处理对circRNA起富集作用，并成为判定RNA是否成环的一个重要条件。有研究怀疑有少部分circRNA对RNase R敏感[15]，还有待证实。⑦部分circRNA拥有miRNA应答元件（miRNA response element，MRE），具有miRNA sponge功能，与miRNA相互作用，调控靶基因的表达[16]。⑧大多数circRNA能在转录或转录后水平发挥调控作用，少数能在转录水平发挥作用。

3 环状RNA的功能

通过高通量测序和生物信息学分析已经在真核生物中鉴定了大量的circRNA，这些circRNA呈现出时空表达特异性和物种间的保守性，说明circRNA可能在真核生物基因表达调控上具有重要作用。circRNA可能通过以下4种方式发挥其生物学功能，分别是miRNA海绵[17，18]、作为翻译模板[19，20]、调控基因转录[21，22]、与RNA结合蛋白作用[1，16，17]。

3.1 circRNA充当miRNA分子“海绵”

由外显子构成的ecRNA具有稳定的环状结构，且大多数ecRNA包含有miRNA结合位点。ecRNA可作为高效的竞争性内源RNA，有效吸附miRNA从而调控miRNA的靶基因。小脑变性相关蛋白1反义转录物（Antisense to the cerebellar degeneration-related protein 1 transcript，CDR1as）是一种ecRNA，长度约为1.5 kb，定位于细胞质中，主要在人和小鼠的脑中表达，含有超过60个能够与miR-7结合的保守性位点，从而作为miR-7分子海绵影响miR-7靶基因表达，因此，也被称为miR-7的circRNA海绵（CircularRNA sponge for miR-7，curs-7）[17，18，23]。性别决定基因（Sex-determining region Y，Sry）对决定哺乳动物性别具重要作用，Sry基因在睾丸中可产生环状转录本，SrycircRNA至少有16个与miR-138结合的保守性位点，可作为miR-138海绵发挥作用[18]。

3.2 作为翻译模板

通常情况下circRNA是不可以被翻译的，因此被定义为一类新的非编码RNA[24]。而近年来研究发现一些circRNA包含有外显子序列，可能被翻译成蛋白质。最早报道的是δ肝炎病毒的单链环状RNA基因组能够在哺乳动物细胞中翻译成病毒相关蛋白质，并在肝炎发生过程中发挥作用[25]。endprint

3.3 调控基因转录

研究人员发现，细胞核内含量丰富的ciRNA（如ci-ankrd52，ci-sirt7）和ElciRNA（如circEIF3J，circPAIP2）分子可以与U1 snRNP进行RNA-RNA相互作用，形成的ciRNA-U1 snRNP或EIciRNA-U1 snRNP复合物在母系基因启动子区与RNA聚合酶Ⅱ转录复合体结合，顺式调控其母系基因的表[21，22]。

3.4 circRNA与蛋白相互作用

circRNA也有蛋白吸附的功能。锚蛋白重复域52环状RNA（ankyrin repeat domain 52 circular intronic RNA，ci-ankrd 52）、真核翻译起始因子3亚基J环状RNA（eukaryotic translation initiationfactor 3 subunit J circular RNA，circEIF3J）和多聚腺苷酸结合蛋白相互作用蛋白2环状RNA（polyadenylate-binding protein-interacting protein 2 circularRNA，circPAIP2）可与RNA聚合酶Ⅱ复合体相互作用，从而最终调节转录[21，22]；circMb1侧翼内含子中有许多盲肌（muscleblind，MBL）蛋白结合位点，有研究显示，MBL与盲肌环状RNA（muscleblind circular RNA，circMbl）的生物学合成有关，當MBL蛋白过量时，其会通过促进circMbl的生成来降低自身mRNA的水平，生成的环状RNA分子再通过与多余的MBL结合将其消除[26]。

4 circRNA在猪中的研究进展

Ven？覬等[5]通过高通量测序研究猪妊娠期间（6个时间点）脑组织（5个分区）发育相关的circRNA，共鉴定4 634个circRNA，其中在妊娠中期皮质中circRNA表达丰度最高，提示circRNA在猪胚胎脑发育方面具有重要调控作用；Sun等[27]等通过Ribo-Zero RNA-Seq在长白猪和蓝塘猪背最长肌中检测到4 360个差异表达的circRNA，其中236个与肌细胞生成相关；Liang等[28]从猪脂肪、心肌和肝等9种不同组织以及3个发育阶段的骨骼肌中，系统鉴定5 934个circRNA，绘制了猪circRNA时空图谱，并构建了首个农业动物的环状RNA数据库。目前有关circRNA的研究主要集中于疾病（尤其是癌症），在猪上的研究还鲜有报道，在猪中深度挖掘参与调控经济性状（脂肪沉积、肌肉发育、动物繁殖等）相关的circRNA，将成为未来猪遗传育种研究的新方向。

5 小结

circRNA的研究还刚刚兴起，但其重要性引起了国际上学者的高度重视，并逐渐揭开circRNA的面纱。circRNA的广泛性，保守性及组织特异性等特质，都预示着它可能成为一种新型的生物标志物。circRNA参与了生物的生长发育、衰老、疾病等多种生命活动过程，在转录后水平具有调控基因表达的重要功能，对circRNA进行研究具有重要意义。

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