环状RNA与眼底增生性疾病的研究进展

王艺敏 综述 孙晓东 审校

上海交通大学附属第一人民医院眼科,上海 200080

眼底增生性疾病是在炎症、趋化因子的诱发下,导致眼底组织细胞快速增生或新生血管形成的一类疾病,表现为眼底正常组织结构和生理功能受到破坏,从而影响视力,甚至致盲[1-2]。目前,眼底增生性疾病有糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)、年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)和增生性玻璃体视网膜病变(proliferative vitreous retinopathy,PVR),治疗手段包括抗血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)注射、手术、激光光凝等,但是这些手段对于疾病晚期的治疗效果有限[3]。因此,了解眼底增生性疾病的相关机制,对于寻找新的诊断和治疗靶点至关重要。近年来,环状RNA(circular RNA,circRNA)逐渐进入研究者的视野,其可以通过表观调控的方式来参与多种生物学过程[4-5]。环状RNA既可参与眼部正常生理过程,又参与眼科相关疾病的发生和发展,已被证实在DR、年龄相关性白内障等眼部疾病的病理过程中均起到重要作用[6-7]。本文就circRNA的概念、病理生理功能,及其在视网膜新生血管、视网膜胶质细胞增生、纤维增生膜等病理过程中的作用研究进展进行综述。

1 CircRNA概述

1.1 CircRNA的概念

CircRNA是一类内源性RNA,是非编码RNA之一,较线状RNA更为稳定,在生物体内数量丰富,呈组织特异性表达[8]。CircRNA由前体mRNA反向剪接而成,其特征为连续闭合的环状结构,既无3'端与polyA的尾部,也无5'端。CircRNA最早于1976年被发现,当时Sanger等认为它的生理学功能很小,大多是mRNA剪切错误的产物[9]。但是随着测序与实验技术的发展,circRNA被发现广泛存在于各种生物体内,且近年来的研究表明,circRNA在各种生理过程中发挥微小RNA(microRNA,miRNA)海绵样作用[10-11]。

1.2 CircRNA的生理功能

大部分circRNA位于细胞质内,有小部分含有内含子的circRNA位于细胞核内。大量研究发现,circRNA可与mRNA竞争结合miRNA,从而干扰基因的表达[10-13]。值得注意的是,只有很少部分的circRNA能与miRNA结合参与基因表达调控[14]。

体内及体外研究发现circRNA还可以与蛋白和DNA相结合,并影响后者正常生物学功能[15-16]。除此之外,circRNA由于性质稳定,还可以作为外泌体的方式进入血液。目前有研究已在人血清外泌体中鉴定出超过1 000个circRNA,且发现肿瘤患者血清和正常血清里外泌体的circRNA表达谱存在差异[17]。因此,circRNA被认为有希望成为疾病诊断的生物标志物之一。

随着年龄的增长,许多细胞生理过程会发生变化,包括前体mRNA的剪接与转录的变化,从而影响基因表达谱的变化[18]。有研究在衰老果蝇的光感受器细胞中观察到剪接因子的表达降低,导致circRNA的增多和累积,但仍未确定这些变化是否会促进光感受器的衰老与功能丧失[19]。

1.3 CircRNA参与病理的机制

转录过程中,前体mRNA可以形成环化的circRNA和不环化的线性RNA,这2种剪接之间存在竞争关系,并形成平衡状态,且状态失衡与疾病的发展相关。盲肌样蛋白(muscleblind,MBNL1)和腺苷脱氨酶1(adenosine deaminase 1,ADAR1)通过影响前体mRNA的剪接,参与调控环状与线性RNA的形成[20-21]。其中MBNL1可以通过诱导反向剪接的形成来增加circRNA的表达;ADAR1通过影响反向剪接的效率来促进线性RNA的形成[22]。此外,circRNA作为内源竞争RNA之一,其与靶向miRNA的丰度关系也决定了其作为海绵的效率[23]。有研究表明,当PTEN(gene of phosphate and tension homology deleted on chromsome ten)基因和对应circRNA VAPA(vesicle associated membrane protein-associated protein isoforms A)等浓度时,circRNA抑制miRNA的效率最高;当二者浓度相差较大时,circRNA抑制miRNA的效率下降[24-25]。因此,环状与线状RNA生成的不平衡、circRNA的数量异常均可以引发病理情况,导致疾病的发生和发展。

2 CircRNA与眼底增生性疾病的相关性

2.1 CircRNA参与视网膜新生血管形成

许多眼底疾病,如早产儿视网膜病变(retinopathy of prematurity,ROP)、DR和视网膜动静脉阻塞等疾病中,缺氧、炎症等因素引起VEGF表达上调,促进视网膜血管内皮细胞增生,形成新生血管,严重危害患者视力[26-27]。有研究对ROP模型小鼠视网膜进行测序分析发现,circRNA的表达谱较正常小鼠发生了显著变化,并验证4个关键circRNA(mmu_circRNA_002573、mmu_circRNA_011180、mmu_circRNA_016108和mmu_circRNA_22546)可以通过不同途径参与新血管形成[28]。

DR病理过程中circHIPK3表达升高,并通过发挥海绵作用抑制miR-30a-3p活性,进而促进VEGFC、FZD4和WNT2等基因的表达,诱导新生血管形成;通过体外实验沉默circHIPK3可以减少内皮细胞增生、迁移和管腔形成[29]。另有研究表明,DR患者视网膜前纤维血管膜中circDNMT3B和circ_0005015的表达上调;CircDNMT3B可发挥对miR-20b-5p的海绵样作用,负调节miR-20b-5p的表达,进而调控下游基因BAMBI诱导的VEGF表达,促进血管生成和细胞增生[30]。Circ_0005015参与调节病理性视网膜血管功能障碍,其可能通过抑制miR-519d-3p影响下游STAT3、MMP-2和XIAP转录水平及表达,促进血管生成[31]。

此外,研究发现DR模型小鼠中存在cZNF609的异常高表达,并且通过海绵样作用抑制miR-615-5p活性,解除miR-615-5p对MEF2A的抑制作用,促进血管内皮细胞的成管功能;体外研究结果也显示,沉默cZNF609可以减少病理性血管的形成和炎症反应[32]。

目前还需要更多的研究证实circRNA在眼底新生血管病理过程中的作用,抑制circRNA有望成为治疗血管性疾病的新靶点。

2.2 CircRNA参与视网膜胶质细胞增生

视网膜中的神经胶质细胞,如Müller细胞,可以分泌细胞因子和维持代谢稳定以支持神经细胞。在许多视网膜神经损伤疾病中,如青光眼,存在视网膜神经胶质细胞的激活与增生,活化的胶质细胞可以分泌一氧化氮、活性氧、细胞因子等加剧神经细胞的损伤,导致视网膜神经节细胞的死亡[33]。

研究发现在青光眼诱导的视网膜神经变性中,视网膜组织中cZNF609和cZRANB1显著上调,其中cZRANB1可与miR-217相结合,解除其对下游转录因子RUNX2的抑制作用,继而参与调节细胞增生和分化;将cZRANB1敲低后,可抑制Müller细胞的活化,并间接促进RGC细胞的存活[34]。cZNF609也可以通过海绵样作用来抑制miR-615活性,释放其对下游蛋白METRN的抑制,而METRN可参与神经发生、血管形成等过程,还可以通过激活JAK-STAT3途径促进胶质细胞形成;沉默cZNF609同样可以抑制胶质细胞的增生[33]。因此,circRNA在调控胶质细胞的增生和活化中可能起到重要的生理功能。

2.3 CircRNA参与纤维增生膜的形成

PVR多发生在眼科复杂手术和眼外伤之后,其特征为视网膜表面和玻璃体后界膜的细胞增生,形成视网膜前纤维膜,并对视网膜形成牵拉,可导致牵引性视网膜脱离[35]。视网膜色素上皮细胞是纤维膜的主要细胞成分之一,并且可以通过分泌细胞因子和生长因子来促进纤维膜的形成。有研究在PVR患者的视网膜前膜及玻璃体样本中观察到circ_0043144的显著上调;而沉默circ_0043144可调控体外培养的视网膜色素上皮细胞功能,降低其CCL2、CXCL8、IL-6和VEGF-A等因子的表达[36]。因此,circ_0043144有可能成为PVR治疗的一个新靶点。

3 结语与展望

目前研究已经揭示circRNA参与肿瘤、神经发育、细胞凋亡或增生等方面的调控作用。在眼科领域,circRNA也被证实参与许多增生性疾病的发病机制。因此,以circRNA为靶点或将成为一种可行的治疗方式。Meganck等[37]以重组腺病毒相关病毒为载体进行小鼠多组织circRNA转染,发现circRNA在小鼠体内多种组织中成功表达,其中玻璃体腔给药后circRNA在视网膜多个细胞层中高表达。这证明了circRNA治疗眼科疾病的可行性,为相关研究提供了思路。此外,在肿瘤中已经发现特异性circRNA以外泌体的形式分泌入血,有希望成为肿瘤生物标志物之一[38]。目前,已发现青光眼、DR以及新生血管性AMD患者房水、玻璃体液甚至血液中存在疾病特异性的外泌体[39]。是否能检测到含有眼部疾病相关的特异性circRNA外泌体还需要更多的研究来证实,有望为眼科疾病寻找一个简便可行的生物标志物。对于circRNA进行深入研究,将为进一步揭示眼部疾病的机制与病理过程,为疾病的诊断、治疗与预防提供了更多的思考与指导。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突