环状RNA与糖尿病及其并发症

方迎昕 周一军

中国医科大学附属第四医院内分泌代谢科，沈阳 110032

全球2015年的糖尿病患者约为4.15亿，其中46.5%的成年糖尿病患者未能被及时诊断，自然也无法获得良好的干预和治疗[1]。因此，寻找及早诊断和干预糖尿病的方法显得尤为重要。现有的胰岛素抵抗、β细胞功能、胰岛素敏感性、空腹血糖以及基因多态性等指标对于糖尿病的早期诊断虽有一定价值，但仍存在一定缺陷[2-3]。探寻新的高敏感性、高特异性的分子靶点对糖尿病早期诊断和治疗意义重大。随着高通量测序的发展，已发现大量非编码RNA在人体中执行多种生物学功能，参与了肿瘤等多种疾病的发生、发展过程[4]。环状RNA(circRNAs)是一类新的单链闭合环状、通过共价键形成的、不具有5′末端帽子以及3′poly-A尾的非编码RNA。与普通线性RNA不同，它们的环状结构使其不易被核酸外切酶降解，能稳定存在于真核细胞细胞质中，且具有高度保守性和组织、时序、疾病特异性，从而有望成为潜在的疾病诊断标志物和治疗靶点[5]。最新的一些研究证明，circRNAs与糖尿病有关，本文将对circRNAs的生物起源及调控机制以及与糖尿病及其并发症的关系作一简要综述。

1 circRNAs的生物起源及调控机制

以往人们认为，circRNAs由外显子首尾相连形成环状结构，是基因可变剪接的产物,命名为外显子circRNAs。最近，高纯度提取circRNAs的新方法使大量内含子来源的 circRNAs被鉴定，即内含子circRNAs(circular intronic RNAs, ciRNAs)[6]。此外,由前体tRNA经过剪接产生的tRNA内含子circRNAs以及由外显子和内含子共同构成的环状RNA (Exon-intron circular RNAs,EIciRNAs)也陆续被研究者发现[7-8]。

circRNA的生成调控机制大致可分为3种。首先，伴随反向剪切过程的RNA聚合酶Ⅱ(RNA pol Ⅱ)的转录。一方面，反向剪切的环化过程与RNA Pol Ⅱ延伸率有关[9]。另一方面，研究者通过影响分裂和聚腺苷酸化过程而抑制RNA pol Ⅱ的终止，circRNAs的表达上调[10]。其次，顺式和反式的调节因素可以影响反向剪切的效率，其中包括外显子侧翼的内含子互补序列，核心的剪接体元件以及其他有调控作用的RNA结合蛋白。最后，circRNAs的更新如新生circRNAs的水平和降解过程影响其表达[9]。

2 circRNAs的功能

2.1 作为miRNA的分子海绵 circRNAs可作为一种竞争性内源性RNA，通过微小RNA(miRNA)应答元件，竞争性地结合miRNA，抑制miRNA对靶基因的功能[11]。

2.2 细胞核circRNAs调控转录和剪切 细胞核中的circRNAs，即ciRNAs和EIciRNAs可以调控基因的表达。EIciRNAs可以与U1小核糖核蛋白结合，通过RNA-RNA相互作用顺式地影响其亲本基因的Pol Ⅱ转录[12]。

2.3 circRNAs可翻译成蛋白质 大部分已被鉴定的circRNAs位于细胞质，且缺少线性RNA翻译时需要的5′端7-甲基鸟苷帽和3′端的腺苷尾结构。然而，当circRNAs充当内部核糖体启动位点(internal ribosome entry sites, IRESs)，促使启动子或核糖体与circRNAs的结合时，可翻译成蛋白质[13]。

2.4 形成RNA蛋白复合体 circRNAs可与不同的蛋白质结合，形成RNA蛋白复合物,从而调控相关蛋白行使功能。例如，circ-Foxo3与抗衰老蛋白ID-1和转录因子E2F1结合，发挥对心肌组织的保护作用[14]。

3 circRNAs与糖尿病及其并发症

3.1 circRNAs与糖尿病

3.1.1 糖尿病的circRNAs表达特征研究 Zhao等[15]用基因芯片对2型糖尿病患者的外周血样本进行检测，与健康对照组相比，发现489个circRNAs差异性表达，其中 78 个上调，411个下调，并认为hsa_circ_0054633可以作为糖尿病前期或2型糖尿病的诊断标志物。Shang等[16]对高糖处理的人内皮细胞进行RNA测序分析，发现了95个差异表达的circRNAs。Yan等[17]用测序技术检测妊娠期糖尿病患者的胎盘绒毛组织，鉴定出227个上调的circRNAs，255个下调的circRNAs。

3.1.2 circRNAs与胰岛β细胞 糖尿病患者的β细胞功能紊乱与miRNA和长链非编码RNA的表达谱改变有关，最近的研究证明circRNAs也参与了这个过程。人胰岛β细胞中有数千个circRNAs，其中497个在鼠胰岛中保守存在。在糖尿病db/db小鼠中，circHIPK3和ciRS-7/CDR1表达低，导致胰岛素分泌减少，抑制β细胞增殖和存活[18]。circHIPK3是胰岛表达最丰富的circRNAs之一，其来源于2型糖尿病患者缺乏的线性基因Hipk3的外显子。线性基因Hipk3的缺乏将间接造成circHIPK3表达降低。通过RNA干扰技术，敲减circHIPK3，导致细胞凋亡，并抑制催乳素诱导的β细胞增殖。miRNA-7是人和鼠胰岛中含量最高的miRNA，过表达miRNA-7的转基因小鼠因胰岛素分泌受损和β细胞分化障碍，导致糖尿病。相反，若使肥胖小鼠miRNA-7失活，则有效改善β细胞功能紊乱和高血糖状态。ciRS-7/CDR1作用于miRNA-7及其靶点肌球蛋白VIIA和Rab相互作用蛋白(Myrip)和对盒基因6(Pax6)，通过介导cAMP和蛋白激酶C信号转导通路，调节胰岛素分泌[19]。

3.1.3 circRNAs与炎性反应 多项研究证实，抗炎治疗可能会纠正2型糖尿病患者的代谢异常。对2型糖尿病患者外周血白细胞测序鉴定出220个差异表达的circRNAs。其中circANKRD36显著上调，且与血糖和糖化血红蛋白呈正相关。对2型糖尿病有预测作用的白细胞介素6和肿瘤细胞坏死因子α显著高表达，与circANKRD36呈正相关。研究者认为，circANKRD36通过与hsa-miRNA-3614-3p、 hsa-miRNA-498和hsa-miRNA-501-5p等miRNAs结合，参与了2型糖尿病的发生及炎性反应相关的信号通路。circANKRd36与2型糖尿病的慢性炎性反应有关，可作为糖尿病炎性状态的标志物和治疗靶点[20]。

3.2 circRNAs与糖尿病并发症

3.2.1 circRNAs与糖尿病视网膜病变 在糖尿病病史超过20年的患者中，80%并发糖尿病视网膜病变。有研究者用基因芯片分析2型糖尿病视网膜病变患者血清，发现30个显著上调的circRNAs，其中circRNA_406918来源于胰岛素样结合蛋白，其相关的基因胰岛素样结合蛋白2与β细胞功能紊乱和糖尿病有关[21]。circ_0005015在糖尿病视网膜病变患者的血液、玻璃体、纤维血管膜均表达上调，可作为miRNA-519d-3的分子海绵，促进视网膜内皮细胞增殖、迁移和小管形成[22]。另外，糖尿病小鼠视网膜中circHIPK3水平也显著上调。沉默circHIPK3，则视网膜血管渗漏及炎性反应减轻。进一步研究显示，circHIPK3可与miRNA-30a-3p结合，抑制其活性，造成视网膜内皮细胞增殖和血管功能紊乱[23]。

3.2.2 circRNAs与糖尿病肾病 circRNA_15698在db/db糖尿病肾病小鼠中或小鼠肾小球系膜细胞中均表达上调。功能缺失实验显示，敲减circRNA_15698可明显抑制Ⅰ型胶原、Ⅳ型胶原和纤维连接蛋白的表达。生物信息分析和荧光素酶报告系统证实，circRNA_15698是miRNA-185的分子海绵, 并对转化生长因子-β1起正向调节作用。circRNA_15698/miRNA-185/转化生长因子-β1 通路促使细胞外基质相关蛋白的合成，初步描述了circRNAs在糖尿病肾病发病机制中的作用[24]。

3.2.3 circRNAs与糖尿病心血管并发症 用基因芯片对2型糖尿病合并冠心病的患者外周血进行检测，研究者鉴定出40个差异表达的circRNAs，其中13个上调，27个下调。糖尿病小鼠db/db鼠心肌组织有43个差异表达的circRNAs。其中circRNA_010567在糖尿病小鼠心肌组织和血管紧张素Ⅱ处理的心肌成纤维细胞均显著上调。circRNA_010567可以介导miRNA-141、 转化生长因子-β1的表达, 在糖尿病小鼠心肌纤维化过程中起调控作用[25]。

3.2.4 circRNAs与糖尿病痛性神经病变 在糖尿病痛性神经病变患者的血清以及链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的背根神经节中，circHIPK3的含量均比较丰富。circHIPK3的上调与2型糖尿病患者的神经痛评分相关。沉默circHIPK3可减轻糖尿病鼠的神经痛及神经炎性反应。进一步的机制研究表明，circHIPK3与miRNA-124结合，可抑制其表达。miRNA-124抑制剂可以逆转circHIPK3基因敲除介导的神经病理性疼痛的缓解和糖尿病大鼠中神经炎性反应的抑制。circHIPK3短发夹RNA 可用于糖尿病鼠神经痛的治疗[26]。

综上所述，circRNAs具有复杂的生物起源和调控机制，以及分子海绵、调控转录等丰富的生物学功能，是糖尿病发生、发展过程中重要的调控分子。越来越多的circRNAs已被鉴定出来，然而仍有许多问题有待探索。例如，circRNAs的降解途径、circRNAs的序列和结构与其生物学功能的联系等。一方面，circRNAs在糖尿病患者血液、肾脏、视网膜、胎盘中稳定存在，且差异性地表达，样本易得到，且具有高特异性和敏感性，可以作为糖尿病早期诊断的生物标志物。另一方面，具有互补序列和侧翼剪接位点的circRNAs可以被人工合成出来，有望成为糖尿病治疗的分子工具。可以期待的是，人工合成或修饰的circRNAs不仅作用于相应的miRNAs，也作用于特异的RNA结合蛋白，人们将通过控制circRNAs，调控多种后续的细胞学过程和疾病进展。虽然目前对circRNA的作用机制、调控网络尚不十分清楚， 相信随着研究的进一步深入，circRNAs有望成为新兴的糖尿病诊断标志物和潜在靶点，用于糖尿病及其并发症的临床诊断和治疗。