环状RNA与脂代谢

朱伊祎 林细华 李红

浙江大学医学院附属邵逸夫医院内分泌科，杭州 310016

脂肪组织的主要功能是存储和释放脂肪酸，根据人体能量需求将其整合入脂肪细胞的甘油三酯中。人体脂肪量取决于甘油三酯在脂肪细胞中的储存与去路之间的平衡[1-2]。机体通过脂解以及非脂肪组织中的脂肪酸氧化和(或)异位沉积来调控此平衡[2]。肥胖者脂肪组织去除甘油三酯的速率降低并且存储量增加，脂肪细胞脂质堆积从而促进了脂肪组织的炎性反应。慢性低滴度的全身炎性反应激活免疫系统，从而导致脏器(脂肪组织、肝脏、肌肉、胰腺等器官)中免疫细胞浸润，产生促炎细胞因子，不仅影响体内稳态，还影响胰岛素抵抗以及脂质、血压、凝血、纤溶和炎性反应的改变，从而导致内皮功能障碍和动脉粥样硬化[3]。因此，研究脂代谢在代谢相关疾病中的作用具有重要意义。

环状RNA作为机体细胞内重要的调控因子，近年来受到越来越多的重视，其在调控宿主基因、miRNA海绵、RNA结合蛋白海绵和疾病发生、发展过程中发挥巨大的作用[4]。因此，认清和掌握环状RNA与脂代谢之间的相互关系对脂代谢相关疾病的诊断和治疗有一定的价值。

1 环状RNA概述

1.1 环状RNA的基本结构 环状RNA是共价闭合的单链转录物，最早于20世纪70年代后期在电镜下被观察到。通常，真核生物细胞中的环状RNA来自前mRNA的剪接事件，并带有剪接体介导的环化作用[5]。不同于以5′帽和3′尾部终止的线性RNA，环状RNA由反向剪接将下游外显子的5′剪接位点(剪接供体)与上游外显子的3′剪接位点(剪接受体)共价键相连形成，可以避免RNase R引起的核酸外切降解[6]。根据其结构，环状RNA可以分为4种不同类型，包括仅由外显子组成的ecircRNA，仅由内含子组成的ciRNA，外显子和内含子共同组成的EIciRNA，以及一类特殊在tRNA前剪接过程产生的tricRNA[6]。目前发现环状RNA有3种不同的环化模型：内含子配对、套索蛋白驱动的环化和RNA结合蛋白驱动的环化。由于高通量RNA测序技术和新型计算方法的发展，已在各种细胞系和不同物种中成功鉴定出大量环状RNA[7]。尽管它们通常以低水平表达，但越来越多的证据表明环状RNA与疾病的发生、发展相关。目前环状RNA并没有统一的命名，一般使用基因组位置作为名字，或者用circ作为前缀而宿主基因名称作为后缀，或者研究者自愿设计。

1.2 环状RNA的特性与功能 环状RNA已被证实具有多种生物学特性：包括环状RNA在真核细胞中富集，在人源细胞中已鉴定出超过100 000种不同的环状RNA[8]；具有一定的序列保守性[9]；比线性转录本更稳定，在血清外泌体中其有潜力成为新型生物标志物[10]；在许多人类细胞和组织中普遍存在，具有细胞和组织类型的特异性表达[11]。研究表明，环状RNA主要是通过与RNA相互作用、与蛋白质相互作用、调控亲本基因的转录与剪切、翻译蛋白质来实现其生物学功能[4]。环状RNA不仅与单个微小RNA(miRNA)相互作用，而且还可以与多个miRNA相互结合。环状RNA可通过直接结合并充当竞争元件来调节RNA结合蛋白的功能或充当蛋白质的支架调节细胞活动。尽管大部分环状RNA主要位于细胞质中，但是EIciRNA主要位于细胞核中，并在转录位点富集，通过与U1小核糖核蛋白(snRNP)与RNA聚合酶Ⅱ结合，从而促进其宿主基因的转录。由于环状RNA和mRNA一样来自于pre-mRNA(前mRNA)，因此环状RNA的产生会中断mRNA的剪切调控[5]。除此之外，具有内部核糖体进入位点(IRES)的环状RNA可以在体外和体内有效翻译，表明环状RNA具有潜在的参与翻译的能力。环状RNA的这些重要生物学特性及其作用机制给临床疾病的诊断和治疗开辟了新思路。

2 环状RNA与脂代谢

2.1 环状RNA与脂肪细胞 外泌体是脂肪细胞与其他细胞之间长距离信号转导的重要载体，可调节远处组织中的基因表达。外泌体是一种微囊泡，包括脂肪细胞在内的大多数细胞类型都可分泌。其内含有各种蛋白质、脂质、环状RNA和miRNA等成分[12]。有研究探讨了脂肪组织来源的外泌体中环状RNA对肝癌细胞以及皮肤角质形成细胞的作用。发现脂肪分泌的circDB通过抑制miRNA-34a和激活泛素化蛋白7/细胞周期D蛋白7(USP7/Cyclin A2)信号通路，促进肝细胞癌生长[13]。脂肪细胞来源的外泌体中的circ_0075932通过直接与RNA结合蛋白PUM2结合，促进其介导的有丝分裂激酶AuroraA/核因子κB活化，诱导人皮肤角质形成细胞的炎性反应和细胞凋亡[14]。这些研究证明，脂肪细胞分泌的外泌体中的环状RNA具有参与远距离调控其他组织细胞的能力。

2.2 环状RNA与脂代谢相关疾病

2.2.1 环状RNA与肥胖 肥胖是一种慢性代谢性疾病，其特征是脂肪分布异常或者脂质过多积累。脂肪细胞肥大引起的促炎性脂肪因子分泌，可导致促炎性免疫细胞进入脂肪组织引起慢性低度炎性反应，导致肥胖个体出现代谢功能障碍[15]。

对猪皮下脂肪沉积的研究显示，在不同的脂代谢阶段中数百个环状RNA不同程度被激活，并发挥相应的生物学作用[16]。目前研究表明，环状RNA既可通过调控miRNA从而激活脂代谢通路，也可结合RNA结合蛋白，调节生物体内脂质沉积与炎性反应。在分析大白猪和莱芜猪皮下脂肪组织中环状RNA的表达时，circRNA_26852显著上调，而circRNA_11897显著下调[17]。其中，circRNA_26852以及circRNA_11897可分别通过调控miRNA-486以及miRNA-27a，影响下游过氧化物酶体增殖物活化受体信号转导途径。两者可参与脂代谢并与肥胖的发生、发展有关。分析代谢综合征患者的血清发现，circRNA H19表达水平降低。circRNA H19可通过结合聚嘧啶束结合蛋白1，调控固醇调节元件结合蛋白水平，影响脂肪干细胞的成脂分化以及脂代谢[18]。此外，在预防肥胖方面，环状RNA也发挥重要作用。既往研究表明，circARF3通过吸附miRNA-103靶向肿瘤坏死因子受体相关因子3，减轻线粒体介导的炎性反应，从而预防脂肪炎性反应以及改善肥胖[19]。丹酚酸B可通过调节脂代谢和炎性反应相关信号通路中的环状RNA表达，发挥抗肥胖作用[20]。

2.2.2 环状RNA与2型糖尿病 长期升高的血浆游离脂肪酸水平可导致非脂肪组织(包括骨骼肌、肝脏等)中脂质蓄积，脂肪酸氧化增加，细胞内葡萄糖蓄积，葡萄糖摄取降低，最终影响骨骼肌以及肝脏的胰岛素抵抗，甚至发展为2型糖尿病[21]。因此，脂代谢紊乱与2型糖尿病发病机制之间有密切的联系。近年来研究表明，ciRS-7、circHIPK3等可结合并调控miRNA的水平，影响胰岛β细胞质量以及胰岛素分泌。肥胖小鼠miRNA-7的失活可通过增强β细胞成熟度和分泌功能来挽救β细胞衰竭。作为miRNA的海绵，胰岛细胞中circRNA CiRS-7的高表达可吸附miRNA-7，降低miRNA-7的含量，从而增加胰岛素的表达、分泌和含量[22]。另外，作为胰岛中最丰富的circRNA之一，circHIPK3通过靶向吸附miRNA-124-3p和miRNA-338-3p，调节β细胞关键基因的表达，调节葡萄糖刺激的胰岛素分泌、生物合成以及胰岛细胞的增殖和凋亡[23]。

由于环状RNA的高度生物学稳定性，较低的检测成本，较高的特异性和敏感性，因此可成为诊断糖尿病的一种新型潜在生物学标志物。在血清学中，外周血hsa_circ0054633可用作糖尿病前期和2型糖尿病的生物诊断标志物，其表达水平随着糖尿病的进展显著升高[24]。此外，外周血hsa_circANKRD36可用作筛选2型糖尿病患者慢性炎性反应的生物标志物，在2型糖尿病中显著升高，与血糖和糖化血红蛋白水平呈正相关[25]。相反，外周血has_circRNA11783-2在冠状动脉疾病以及2型糖尿病中表达显著下调[26]。

2.2.3 环状RNA与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是由于脂代谢和炎性反应异常而导致的血管内皮细胞增殖伴随胶原纤维的生成和脂质的积累。目前，越来越多的证据表明，环状RNA的异常表达影响动脉内皮细胞的脂代谢。在促动脉粥样硬化性脂质溶血磷脂酰胆碱刺激下，血管内皮细胞中有77个环状RNA水平显著升高，与胆固醇合成SREBP2途径相关[27]。在氧化低密度脂蛋白诱导的血管内皮细胞中，circ_0003575的表达明显上调，敲低circ_0003575可促进细胞增殖和血管生成能力[28]。相反，上调circANRIL的表达可以预防冠状动脉粥样硬化，下调circANRIL的表达增加动脉粥样硬化指数[29]。机制上，环状RNA可以通过充当miRNA海绵或直接调控下游蛋白来发挥作用。Circ_0003575可充当miRNA-148a-3p的海绵，因此敲低circ_0003575后，miRNA-148a-3p水平增加，抑制了叉头转录因子FoxO4和FoxO3在血管内皮细胞中的表达[30]。由于FoxO蛋白在脂代谢过程中起重要作用，其表达缺失使内皮细胞增殖和迁移功能受损，最终加剧了动脉粥样硬化。此外，由于缺乏miRNA海绵活性，circANRIL通过结合PES1蛋白，诱导核仁应激和p53激活，导致细胞凋亡和抑制细胞增殖，从而保护冠状动脉以及避免粥样硬化的发生[31]。

多种环状RNA在冠状动脉粥样硬化中表达显著升高，可成为辅助诊断的新型标志物。有研究显示，血清中circ_0001879[32]、circ_0004104[32]、circ_0124644[33]以及circRNA-284[34]在冠状动脉粥样硬化性疾病中显著升高。其中，circ_0004104可通过调节动脉粥样硬化相关基因的表达来促进动脉粥样硬化的发生、发展。基因本体数据库(GO)富集分析显示，circ_0124644可能通过细胞凋亡、Robo受体信号转导以及与细胞间黏附因子相互作用等途径发挥作用。CircRNA-284可能充当“海绵”以调节miRNA-221的活性，循环中circRNA-284：miRNA-221的比值可作为颈动脉斑块破裂易感性的生物学标志。

2.2.4 环状RNA与非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) NAFLD是指以肝脏中脂肪浸润为特征的脂代谢相关疾病。目前研究表明，环状RNA的表达降低与肝脏脂代谢紊乱密切相关。在脂肪变性的肝细胞内，circRNA_0046367与circRNA_0046366的表达显著降低[35-36]。两者共同通过circRNA/miRNA-34a/PPARα调节网络，恢复脂代谢相关基因的转录激活，减轻脂肪变性。另外，生物信息学分析提示肝细胞在高脂刺激后circRNA_021412表达明显下调[37]。CircRNA_021412/miR-1972/LPIN信号级联反应的异常破坏了脂肪生成与催化反应的平衡，从而导致肝脂肪变性。同样，circScd1在NAFLD中的表达也显著降低[38]。CircScd1的表达下调通过损害Janus激酶2/信号转导与转录激活因子5的信号通路，促进NAFLD的脂肪变性。在治疗方面，中药方剂强肝方以及二甲双胍可通过调节长链非编码RNA以及环状RNA，改善NAFLD的发生[39-40]。

综上所述，由于环状RNA独特的生物特性与作用机制，环状RNA在脂代谢相关疾病(肥胖、2型糖尿病、动脉粥样硬化以及NAFLD)的发生、发展中起重要作用，预示着环状RNA可能成为疾病的生物学标志物以及治疗靶点。目前关于环状RNA在脂肪细胞脂代谢中的作用还需要进一步探索和研究，其相关机制仍缺乏明确的理论依据，特别是关于脂肪细胞本身的发育、分化以及功能的实现，包括脂质沉积、能量代谢与胰岛素抵抗。随着环状RNA参与脂质调控研究的深入，其有望成为诊断以及治疗脂代谢相关疾病的靶目标之一。