CircRNA进展

汤博艺

（西藏大学理学院，西藏拉萨 850012）

1976年，Sanger等[1]提出一种“共价闭合环状单链RNA”的类病毒，这是人类首次证明环状RNA（Circular RNAs，CircRNA）的存在。随后人们相继在酵母细胞、小鼠睾丸、人体成纤维细胞内发现CircRNA。自90年代末起，更多的CircRNA证明与人类的细胞色素P450基因、人类抗营养不良基因、人类细胞周期蛋白依赖性激酶4（INK4/ARF）等基因有关。这些早期的研究清楚地证明了环状RNA分子的存在，但其潜在价值尚未发掘。

自2010年起，随着RNA测序技术和生物信息学技术的进步，关于CircRNA的研究开始高速发展。使用RNase R（一种来源于大肠杆菌RNR超家族的3'～5'核糖核酸外切酶）[2]预处理，分析无聚腺苷酸富集的CircRNA文库，不仅可以富集CircRNA，还可以将真实的CircRNA与带有折叠错误的mRNA区分开来。目前，多项研究揭示了CircRNA在人类、小鼠和果蝇中以组织和发育阶段特异性的方式进行表达，并与免疫应答、癌症发生等生理病理过程相关，可以作为疾病诊断的生物靶标。

1 CircRNA的分子结构

CircRNA不具5'末端帽和3'末端poly（A）尾，是一类共价环状内源ncRNA，主要具有以下特征：（1）在真核生物的组织细胞中表达相当丰富，且表达具有组织特异性和时空选择性，CircRNA在某些人体组织中的分子总量甚至达线性RNA的10倍以上；（2）CircRNA对核酸酶具有抗性，稳定性较ncRNA更强，并且大多CircRNA的进化十分保守；（3）CircRNA通常包含完整的外显子，位于细胞质中，只有少数CircRNA由内含子环化而成，位于细胞核中。

2 CircRNA的生物起源

CircRNA由前体mRNA（pre-mRNA）产生，并由RNA聚合酶Ⅱ转录。目前，发现的CircRNA可以根据其不同的组成和循环机制简单地分为3种类型：外显子CircRNA（EcircRNA）、内含子CircRNA（CiRNA）和外显子-内含子CircRNA（EIciRNA）。

2.1 EcircRNA

EcircRNA通过外显子的反向剪接形成。目前，有3种假设模型解释EcircRNA的发生：外显子跳读、内含子配对驱动环化和RNA结合蛋白（RBP）介导的环化。如图1所示，在形成EcircRNA时，premRNA在转录过程中发生部分折叠，外显子随RNA折叠而跳跃，形成“套索结构”，在套索结构内通过剪接去除内含子序列后形成CircRNA，这种方式称为“外显子跳读”；由pre-mRNA两侧内含子上的反向互补序列配对形成CircRNA称为内含子配对驱动环化；此外，一些RNA结合蛋白被发现在环状RNA的形成中起关键作用[2]。ADAR1是一种RNA编辑修饰酶，不仅能编辑修饰RNA，还可以通过靶向定位人类细胞中的双链Alu重复序列结合双链RNA，从而具有RBP（视黄醇结合蛋白）功能，因此ADAR1可通过干扰RNA配对抑制CircRNA形成。DHX9是一种丰富的核RNA解旋酶，具有一个类似于ADAR的特殊结构域。沉默DHX9通常通过解开环状外显子侧面的RNA双链来增加环状RNA的产量。

2.2 CiRNA

多数内含子形成套索结构时迅速被去分支酶降解。然而，在Hela细胞和人胚胎干细胞中有一些包含位于5'端的GU重复序列和位于分支点的CC重复序列的内含子能逃避去分支酶的降解，形成ciRNA。

2.3 EIciRNA

两个以上的EcircRNA环化时，内含子切除不完全可产生EIciRNA。EIciRNA主要位于细胞核中。

3 CircRNA功能

3.1 CircRNA充当microRNA海绵

CeRNA假说表明，microRNA可以结合在靶基因上，在转录后水平影响mRNA的稳定性和转录；然而，microRNA自身又受到ceRNA的调控。许多CircRNA具有不同类型和数量的microRNA结合位点，从而具有microRNA海绵效应，降低microRNA活性并上调microRNA相关靶基因的表达，发挥高效ceRNA功能。例如，小脑退行性相关蛋白基因1（CDR1）的CircRNA分子（CDR1as-ciRS-7）有超过60个保守的miRNA-7结合位点。在人类和小鼠脑组织中，ciRS-7作为miR-7的分子海绵，抑制miRNA miR-7与靶基因CDR1的结合，进而正向调控miR-7靶基因。

图1 Circ RNA的三种剪切方式

然而，特定CircRNA丰度（除了果蝇的MBL和人类的CDRIas）通常较低，这与经典的CircRNA-microRNA海绵假说似乎相矛盾。因为microRNA的表达十分丰富，microRNA与靶基因的结合位点也远比与CircRNA结合的位点更多，这大大降低了CircRNA与microRNA结合的可能性。因此CircRNA还可能发挥催化作用，直接激活、降解或灭活microRNAs，但此猜想尚无明显证据。

3.2 CircRNA调节基因转录

除充当MicroRNA海绵外，一些ciRNAs和EIciRNAs还可以通过转录或转录后的方式调控基因表达来调控蛋白质的产生。EIciRNAs可与U1小核核糖核蛋白（U1-small nuclear ribonucleo protein，snRNP）相互作用，通过与RNApolⅡ结合，促进亲代基因转录。此外，一项研究发现，剪切因子MBL的第2个外显子可发生环化，以CircMbⅠ的形式与premRNA通过线性剪切竞争，影响线性RNA的形成，调控相关基因的表达。

3.3 CircRNA与肿瘤相关

CircRNA对肿瘤具有抑制作用。Shang等[3]发现，hsa_circ_0005075的表达在肝癌组织和正常组织存在差异，其表达和肿瘤大小有密切关系，并展示出良好的诊断潜力。Li等[4]研究发现，hsa_circ_002059作为一种典型的circRNA在胃癌组织中低表达，与胃癌转移、TNM分期、性别和年龄等密切相关。因此，CircRNA有望作为一种新型的生物标志应用于肿瘤的诊断。

4 CircRNA研究面临的挑战

随着测序技术和生物信息学的发展，越来越多的CircRNA逐渐被发现，成为RNA领域的研究热点。然而，CircRNA的研究仍然面临许多挑战。（1）目前国际上对于CircRNA并没有统一的命名约定，极易造成混淆。（2）目前，关于CircRNA的数据库还不完善。虽然研究人员可以通过多个数据库预测CircRNA的功能，但是还没有与肿瘤预后相关的CircRNA数据库，在RNA-seq后功能CircRNA的筛选方面面临困难。

5 结语

CircRNA的发现丰富了人们对生物进化的认识，加深了对非编码RNA家族的理解，为研究肿瘤的发生发展提供了新的方向。虽然目前对于CircRNA在肿瘤中形成、转运和功能的确切机制的认识还非常有限，但是随着新技术的应用和科学家的不断努力，相信与CircRNA有关的未知之谜终将被揭晓答案。