环状RNA与2型糖尿病关系及其临床应用

穆金铭，刘 悦，张方方，金 亮

（中国药科大学生命科学与技术学院，南京210009）

糖尿病是以高血糖和大分子代谢缺陷为特点的代谢紊乱综合征。根据国际糖尿病联合会（International Diabetes Federation，IDF）的 报 告，2019 年全球有4.63 亿人患有糖尿病，预计到2040年这一数字将上升到6.45亿。在全部糖尿病患者中，2 型糖尿病（type 2 diabetes ，T2D）患者约占90%［1］。T2D的病因包括胰岛β细胞功能障碍导致的胰岛素分泌缺陷及外周组织器官（心脏、肝脏、脂肪等）对胰岛素不敏感产生的胰岛素抵抗［2］。T2D 发病率及病死率的不断增加与环境、遗传、现代生活方式改变及其多种并发症（包括肾病、心血管病变、视网膜病变等）等因素相关［3］。

环状RNA（circular RNA）是一类新发现的具有共价闭合环的非编码RNA，与线性RNA不同，其免受RNA 外切酶的攻击［4］。环状RNA 具有较强的保守性，且其表达具有组织特异性。环状RNA 可以通过以下6 种机制发挥作用：（1）作为microRNA的分子海绵或诱饵，保护microRNA 的靶基因免受其降解；（2）充当某些RNA 结合蛋白的海绵或诱饵，间接调节蛋白的功能；（3）与某些蛋白质相互作用并增强其功能；（4）作为蛋白支架，促进酶及其底物的共域化，从而影响反应动力学；（5）招募蛋白到特定的位点或亚细胞结构；（6）作为翻译的模板产生独特的环状RNA多肽［5］。

目前已有报道表明环状RNA 在糖尿病的发生发展中扮演着重要角色［6］。本文综述了近年来环状RNA与2型糖尿病关系及其应用的研究进展。

1 环状RNA 参与调控2型糖尿病的发生发展

环状RNA 可以通过调控胰岛β 细胞功能直接参与糖尿病的发生发展，同时也可以通过调控心脏、肾脏等器官的代谢活动参与糖尿病及其并发症的发生发展。

1.1 环状RNA 调控胰岛β 细胞功能直接参与糖尿病的发生发展

全基因组关联分析研究结果显示，2 型糖尿病的大部分危险基因与胰岛功能相关［7］。环状RNA广泛表达于人类胰岛β 细胞中并能够调控胰岛β细胞活性［8］。Stoll 等［9］采用微阵列分析法在人的胰岛样本中检测到3 441个环状RNA 转录本，其中有497个转录本在小鼠胰岛中有精确的同源表达。目前报道能够直接调控胰岛β 细胞功能的环状RNA主要有circHIPK3和ciRS-7。

Stoll 等［9］研究结果显示，与对照组相比，db/db小鼠胰岛β 细胞中circHIPK3 表达显著下调，circHIPK3的表达下调能够抑制胰岛β细胞在葡萄糖刺激下的胰岛素合成与分泌，同时能够促进胰岛β细胞凋亡。在db/db小鼠胰岛β细胞中下调的circHIPK3损害胰岛β细胞功能的作用机制主要是通过作为miR-124-3p、miR-338-3p、miR-29b-3p、和miR-30 的分子海绵从而抑制下游与胰岛功能直接相关的靶基因的表达，这些靶基因包括AKT（编码蛋白激酶B，protein kinase B，PKB）、MTPN（编码肌营养素，myotrophin）、SLC2A2（编码葡萄糖转运蛋白2，glucose transporter 2，GLUT2）、MCL1（编码髓细胞白血病因子1，myeloid cell leukemia-1）等。PKB 在磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）信号通路中扮演着重要角色，能够促进胰岛β 细胞增殖［10］；MTPN 能够促进胰岛素的分泌；GLUT2 作为葡萄糖转运蛋白在β 细胞葡萄糖摄取中扮演着重要角色，与对照相比缺乏GLUT2的纯合子小鼠体内糖耐量异常；MCL1 是一种抗凋亡蛋白，属于B 细胞淋巴瘤蛋白2（B-cell lymphoma-2，Bcl2）家族，其能够抑制细胞凋亡且在胰岛β 细胞存活中起着关键作用（图1）。下 调 的circ-HIPK3 可 作 为miR-124-3p、miR-30、miR-338-3p、miR-29b-3p 的分子海绵,使它们的表达水平上调并使它们靶基因MTPN、SLC2A2、AKT、MCL1的表达水平下调。MTPN基因编码肌营养素,SLC2A2基因编码葡萄糖转运蛋白2,两蛋白均能促进胰岛素的分泌,因此两者表达下调导致胰岛素分泌能力下降;AKT基因编码蛋白激酶B,MCL1基因编码髓细胞白血病因子1,两蛋白均能抑制β细胞凋亡,因此两者表达下调导致β 细胞凋亡增加(黑色↑代表增加;黑色↓代表减少)

图1 circ-HIPK3调控胰岛β细胞功能作用机制示意图

Hansen 等［11］研究结果表明ciRS-7 可以作为miR-7 的分子海绵。Latreille 等［12］研究结果表明miR-7 是人和小鼠胰岛中表达含量最丰富的microRNA，其能够抑制胰岛素颗粒的胞吐作用。Xu等［13］研究结果表明与对照组相比在胰岛β 细胞中过表达ciRS-7 能够促进胰岛β 细胞胰岛素合成和分泌，其机制是通过抑制miR-7的表达从而上调miR-7靶基因MYRIP（编码肌球蛋白VIIA 和Rab 相互作用蛋白，myosin VIIA and Rab interacting protein）及PAX6（编码同源盒蛋白6，paired box 6）的蛋白表达。MYRIP 可以与肌凝蛋白（myosin）及RAS 癌基因家族成员RAB27A 形成三元复合物参与胰岛素颗粒的运输和分泌。PAX6 作为转录因子能够与胰岛素基因的启动子结合，增强Insulin1和Insulin2的转录从而促进胰岛素合成与分泌（图2）。ciRS-7 作为miR-7 的分子海绵;miR-7 能与mRNA 3′-UTR 结合并抑制MYRIP 及PAX6 的表达;MYRIP 可与肌凝蛋白(myosin)及RAS 癌基因家族成员RAB27A 形成三元复合物促进胰岛素颗粒的运输和分泌;PAX6 作为转录因子能够与胰岛素基因的启动子结合,增强Insulin1和Insulin2的转录从而促进胰岛素合成与分泌。因此,上调的ciRS-7 可以减弱miR-7 对MYRIP 及PAX6 表达的抑制并上调两者的表达,两者的表达上调会促进胰岛素的合成与分泌(黑色↑代表基因或蛋白表达上调)

图2 ciRS-7调控胰岛β细胞功能作用机制示意图

1.2 环状RNA 调控外周组织器官胰岛素信号传导间接参与糖尿病的发生发展

T2D 的特征之一是外周组织器官对胰岛素的敏感性降低并发生胰岛素抵抗，其潜在机制是胰岛素信号传导异常。目前有关环状RNA 参与调控肝脏、肌肉、脂肪等外周组织器官胰岛素信号传导的报道比较少。

肌肉是机体内重要的胰岛素敏感组织，对全身代谢至关重要。骨骼肌胰岛素抵抗的特点是胰岛素刺激的葡萄糖摄取和利用受损。目前全基因组表达谱研究结果显示肌肉组织中有数千种环状RNA，但对它们的功能却知之甚少。在糖尿病小鼠心肌组织和血管紧张素Ⅱ（angiotensin II，Ang II）处理的小鼠心肌成纤维细胞中，circRNA-010567表达显著升高，其可能作为miR-141的分子海绵，从而增强miR-141 靶基因TGFβ1（编码转化生长因子β1，transforming growth factor β 1）的蛋白表达并促进心肌纤维化的发生。在冠心病患者血清中circANRIL 与lncANRIL 的表达呈负相关，且circANRIL 比lncANRIL 更 稳 定。CircANRIL 可 通过 与pescadillo 同 源 物1（pescadillo homolog 1，PES1）结合破坏核糖体RNA 成熟，诱导p53 蛋白活化，进而增加细胞凋亡，减少细胞增殖，预防动脉粥样硬化的发生［14］，但是circANRIL 是否参与调控肌肉组织胰岛素信号传导仍有待进一步探究。

白色脂肪组织炎症是导致肥胖相关代谢紊乱（包括胰岛素抵抗）的重要原因。Zhang 等［15］研究结果表明与对照组相比高脂喂养组（high fat diet，HFD）小鼠脂肪组织中circARF3 表达显著下调；circARF3 作为miR-103 的分子海绵能够促进miR-103 下游靶基因TRAF3（编码肿瘤坏死因子相关受体因子3，TNF receptor associated factor 3）的蛋白表达，TRAF3 能够增强线粒体自噬从而减弱炎症反应，因此HFD 小鼠脂肪组织中circARF3 的表达下调导致白色脂肪组织炎症增加进而引起胰岛素抵抗等肥胖相关代谢紊乱的发生。

2 环状RNA 参与调控糖尿病并发症的发生发展

糖尿病患者病死率增加的主要原因之一是其多种并发症（包括糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变和心血管疾病等）的出现。已有研究表明环状RNA 在血管内皮细胞功能障碍和糖尿病神经痛中扮演着重要角色。因此，环状RNA 的异常表达可能与糖尿病并发症的发生发展有关［6］。

2.1 糖尿病肾病

糖尿病肾病是糖尿病患者慢性肾功能衰竭最常见的原因之一［16］。已有研究表明，在急性肾损伤患者血液和肾组织中可以检测到大量的循环环状RNA，其中circRNA-15698 在db/db 小鼠和高糖暴露小鼠的系膜细胞（SV40-MES13）中表达均上调，其可以作为miR-185的分子海绵从而促进miR-185 靶基因TGFβ1的蛋白表达［17］。TGFβ1 与转化生长因子β 受体II（TβRII）结合并激活转化生长因子β受体I（TβRI）进而使Smad2蛋白和Smad3蛋白磷酸化后形成复合物，该复合物能够促进细胞外基质的沉积并导致肾小球硬化和间质纤维化。

2.2 糖尿病心血管并发症

血管平滑肌细胞（VSMCs）增殖受损在糖尿病动脉粥样硬化进程中扮演着重要角色。Chen等［18］研究结果表明与正常组相比，circ-WDR77 在高糖处理VSMCs 中的表达水平显著上调，且其可靶向miR-124/FGF2（编码成纤维细胞生长因子2，fibroblast growth factor 2）轴从而促进VSMCs 的增殖和迁移。目前已有多项研究结果表明，血糖升高会损害糖尿病患者的血管内皮细胞并可能导致心血管并发症的发生［19］。Shang 等［20］通过体外实验证明高糖能够诱导内皮细胞中95 个环状RNA 的表达发生显著变化，这表明环状RNA 在高血糖诱导的内皮细胞损伤和糖尿病心血管疾病的发病机制中具有重要作用。

Liu 等［21］通过实验证明在小鼠体内敲降环状RNA cZNF609 可以促进内皮细胞迁移和成管，保护内皮细胞不受氧化应激的影响；该环状RNA 可作为内源性miR-615-5p 的分子海绵从而上调其靶基因MEF2A（编码肌细胞增强因子2A，myocyte enhancer factor 2A）的蛋白表达；MEF2A 的激活与血管内皮细胞功能密切相关。

2.3 T2D相关慢性炎症

T2D是一种以慢性、低度炎症为特征的代谢紊乱综合征。已有研究报道，环状RNA 在T2D 患者外周血白细胞中的表达谱与炎性细胞因子存在相关性且研究结果显示与非糖尿病对照组相比，糖尿病患者中共有220 个环状RNA 的表达发生显著变化，其中107 个表达上调，113 个表达下调，在这些环状RNA 中，circ-ANKRD36 的表达水平上调最为显著且与白介素6（interleukin 6，IL-6）、葡萄糖和糖化血红蛋白表达水平呈正相关［22］。此外，Fang 等［23］研究结果表明circ-ANKRD36 可能通过与miR-3614-3p、miR-498、miR-501-5p 相互作用参与炎症反应相关信号通路的调控及T2D 的发生发展。

2.4 糖尿病与视网膜病变及神经性疼痛

神经性疼痛是糖尿病最常见的并发症之一，其在T2D 患者中的发病率约为30%，并随着糖尿病病程的延长而增加。有研究表明circHIPK3 的下调可减轻STZ 诱导的糖尿病大鼠的神经痛。Zhang 等［24］通过体外实验证明circ-0005015 可作为miR-519d-3p 的分子海绵并上调其靶基因MMP-2（编码基质金属蛋白酶2，matrix metallopeptidase 2）、STAT3（编码信号转导及激活蛋白3，signal transducer and activator of transcription 3）、XIAP（编码X 连锁凋亡抑制蛋白，X-linked inhibitor of apoptosis protein）的蛋白表达，进而参与血管化、糖尿病视网膜病变和神经保护等生物过程。

3 环状RNA 作为T2D 潜在诊断生物标志物

大多数经典的T2D 诊断生物标志物只有在疾病建立后才发挥作用，不能在疾病早期起到预测作用［25］。因此，迫切需要开发新的、更敏感的生物标志物。由于环状RNA 的环状结构和缺乏游离的5′和3′端，其对外切酶RNase R 具有很强的抗性［26］。环状RNA 在体液中十分稳定，在血浆中的半衰期平均为48 h，比mRNA 的平均值长10 h。环状RNA 在组织和细胞中的表达具有特异性并且其在血液、脑脊液、唾液、尿液等体液中含量较高［27］。因此，将环状RNA 作为潜在的生物标志物用于包括糖尿病在内的一系列人类疾病的早期诊断和预后检测趋势明显［24］。

Zhao 等［28］对T2D 患者组、糖尿病前期组和健康对照组人群外周血中部分环状RNA 的表达水平进行评估，结果发现3 组间circ-0124636 及circ-0139110 的表达水平无明显差异，而circ-0018508和circ-0054633 在糖尿病前期组和T2D 患者组外周血中的表达水平均高于健康对照组并且circ-0054633 的表达水平从健康对照组至T2D 患者组逐渐升高。接收者操作特征曲线分析（receiver operating characteristic curve，ROC）结果表明，circ-0054633 有望成为临床应用中诊断糖尿病前期和T2D的生物标志物。

Li等［29］检测了冠心病患者组、T2D患者组及健康对照组人群外周血中环状RNA 的表达谱，结果显示各组间circ-0009036 和circ-0054129 的表达水平无明显差异，但与对照组相比，T2D 患者组和冠心病组外周血中circRNA11783-2 的表达水平均显著下调。因此circ-RNA11783-2 作为诊断或预测T2D 与心血管系统疾病的生物标志物具有十分重要的潜在价值。

4 总结与展望

环状RNA 的动态表达模式及复杂的调控网络都表明它们不仅仅是异常剪接的副产品，而是新出现的具有调控功能的RNA 分子。越来越多的研究结果表明，环状RNA 的异常表达可能与T2D 等多种人类疾病相关，然而目前环状RNA 与T2D 的临床相关性还不清楚，有待进一步的体内体外实验阐明环状RNA 在T2D 及其并发症发生发展中的具体作用，以及这些环状RNA 作为T2D 潜在治疗靶点和生物标志物的可能性。