circRNA作为ceRNA在结直肠癌中的研究进展

刘燕, 刘文, 汤国辉

南华大学衡阳医学院附属南华医院 1.肛肠外科,湖南衡阳 421002;2.厦门大学药学院,福建厦门 361102

结直肠癌是常见的恶性肿瘤,在全球癌症的发病率和病死率中分别居第三和第二位[1]。结直肠癌的治疗方法主要以手术切除为主,其次为全身放化疗、靶向治疗和免疫治疗等[2]。近年来尽管结直肠癌早期筛查技术和治疗手段不断改进,但由于结直肠癌患者早期症状无特异性,往往筛出率不高,而中晚期患者由于肿瘤转移及术后复发率高,5年生存率仅12%[3],因此,探索结直肠癌更为敏感、可信的诊断及预后标志物,对于提高结直肠癌患者的总体生存率,改善其预后具有重要意义。

1 circRNA概述

在人类基因组中,大约2%是蛋白编码基因,其余大部分转录本没有蛋白编码能力,被称为非编码RNA,但随着核糖体分析及测序技术的开发和应用,越来越多的非编码RNA被发现含有翻译成肽的开放阅读框[4]。非编码RNA主要包括长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)、环状RNA(circular RNA,circRNA)、增强子RNA(enhancer RNA,eRNA)等。circRNA是一类特殊的非编码RNA,是由前体mRNA反向剪接而产生的共价闭合RNA分子,具有稳定性、丰富性及保守性等特征。

circRNA是于1976年在植物类病毒中被首次发现[5],随后于1979年在多种真核生物中被提取出来[6]。circRNA是通过不同顺式元件和反式因子的调节反向剪接而成。根据基因的起源及产生模式,circRNA大致分为外显子circRNA(exonic circRNA,ecricRNA)、内含子circRNA(intron-derived circRNA,ciRNA)及外显子-内含子circRNA(exon-intron circRNA,EIciRNA);ecricRNA来源于一个或多个外显子,ciRNA仅包含内含子,EIciRNA由内含子和外显子组成[7-9]。circRNA剪切类型与细胞定位有关,circRNA主要通过套索驱动的环化和反向剪接形成,外显子circRNA主要位于细胞质,而内含子circRNA和外显子-内含子circRNA主要位于细胞核,目前大部分被鉴定出的circRNA都是外显子circRNA。

circRNA发挥的功能与其细胞定位密切相关。反向剪接后形成的circRNA,一部分留在细胞核内发挥功能,而大部分circRNA都被转运到细胞质,通过多种途径在转录及转录后参与基因调控。位于细胞核内的circRNA能通过与转录启动子[7]或RNA聚合酶Ⅱ[9]相互作用,进而参与转录调控。转运到胞质的circRNA大部分都可以通过充当microRNA海绵发挥作用,且其中一些circRNA具有多个miRNA直接结合位点,能够与多个miRNA相互作用。circRNA还可以充当动态支架分子促进蛋白质合成和组装,一些circRNA还可以与RNA结合蛋白特异性结合,进而影响生物合成和基因表达水平[10]。部分circRNA可以被翻译成有功能的蛋白,直接发挥作用[11]。

2 miRNA概述

miRNA是一类单链非编码RNA分子,长度约为22个核苷酸,广泛存在于动植物体内,参与转录后基因表达调控。miRNA主要在细胞质中生成,但研究表明,75%miRNA同时存在于细胞质和细胞核中[12]。大部分miRNA基因主要位于蛋白质编码基因的内含子和基因间区域,由RNA聚合酶Ⅱ或RNA聚合酶Ⅲ转录,并通过Drosha核糖核酸酶Ⅲ和Dicer 1核糖核酸酶Ⅲ进行加工。Dicer和反式激活反应元件RNA结合蛋白募集Argonaute蛋白来介导RNA诱导的沉默复合物的组装。miRNA作为基因调控的关键因子,可以通过互补碱基配对来靶向胞质中的mRNA,miRNA与mRNA相互作用的结合位点大部分在3’UTR端,从而抑制mRNA的翻译、脱腺苷化及降解,但miRNA也可以与mRNA其他位点相结合发挥作用。单个miRNA可以调节包含miRNA反应元件(miRNA response element,MRE)的多个靶标,单个RNA若包含多个MRE也会受到多个miRNA的调控。miRNA能够与mRNA、非编码RNA以及miRNA等相互作用,靶向人类基因组中超过60%的蛋白质编码区,在细胞增殖、凋亡、迁移和侵袭等生物学过程中发挥着复杂且关键的作用。

3 ceRNA机制

竞争性内源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)假说是由Salmena等[13]在2011年提出且被命名。理论上来说,任何含有miRNA反应元件的转录本都可以作为ceRNA发挥作用,因此ceRNA网络能够将miRNA、lncRNA、circRNA等非编码RNA与mRNA的功能联系起来。ceRNA活性受多种因素的影响,如ceRNA成分的丰度和亚细胞定位、miRNA与其海绵的结合亲和力、RNA编辑、RNA二级结构和RNA结合蛋白,这些因素的异常通常会引起ceRNA网络的失调,进而导致人类疾病的发生。此外,ceRNA途径的有效性主要取决于ceRNA转录本的相对水平,ceRNA水平的改变对于增强或减弱靶基因上miRNA的功能至关重要。

4 circRNA作为ceRNA调控结直肠癌的发生发展

近年来,越来越多的证据表明,circRNA广泛参与生物学进程,在结直肠癌、胃癌和胰腺导管腺癌等多种肿瘤组织中异常表达,能够作为促癌或抑癌基因在调控肿瘤的发生发展中起着重要作用,并能够作为某些疾病潜在诊断或预后预测的生物标志物[14-15]。

4.1 circRNA调控结直肠癌细胞增殖、迁移、侵袭和凋亡

研究表明,结直肠癌相关circRNA能够通过充当miRNA sponge促进或抑制细胞增殖、迁移、侵袭和凋亡,参与结直肠癌发生发展的进程。Xu等[16]研究发现,circRNA_0000392在结直肠癌细胞系中显著上调,且circRNA_0000392能通过海绵miR-193a-5p来调控PIK3R3的表达,影响AKT-mTOR途径的激活,从而在体内外抑制结直肠癌细胞增殖和侵袭,且其表达水平与结直肠癌恶性进展呈正相关,提示circRNA_0000392是结直肠癌的潜在治疗靶点和判断预后的标志。Shang等[17]研究发现,circPACRGL在结直肠癌细胞中高表达,能充当miR-142-3p/miR-506-3p海绵来促进转化生长因子β1(transforming growth factor-β,TGF-β1)的表达,进而促进结直肠癌细胞增殖、迁移和侵袭,以及中性粒细胞N1向N2的分化。Zhou等[18]发现,Has_circ_0001666在结直肠癌细胞系及肿瘤组织中低表达,且Has_circ_0001666能通过与miR-576-5p结合来促进PCDH10表达,进而调控上皮间质转化及Wnt/β-catenin通路,敲低Has_circ_0001666能够促进结直肠癌细胞增殖、迁移、侵袭,抑制细胞凋亡,并能够在体内促进结直肠癌的发生发展及转移,提示circ_0001666是结直肠癌潜在的诊断生物标志物及治疗靶点。

4.2 circRNA调控结直肠癌体内转移

体内转移是导致结直肠癌患者死亡的主要因素之一,约20%结直肠癌患者伴有体内其他脏器转移,常见转移部位为肝脏及肺脏。研究表明,circRNA能够促进或抑制结直肠癌患者的肝肺转移,其具有作为结直肠癌体内转移的诊断标志物的潜力[19]。Wu等[20]发现,Has_circRNA_002144在结直肠癌细胞系及肿瘤组织中高表达,能与miR-615-5p结合靶向LARP1进而调控结直肠癌的发生发展,敲低circRNA_002144能够抑制结直肠癌肺转移,并且circRNA_002144与结直肠癌患者预后不良密切相关,circRNA_002144可以作为结直肠癌患者预后标志物及潜在的治疗靶点。Wang等[21]发现,circSPARC在结直肠癌肿瘤组织及患者血样中表达明显升高,并与结直肠癌分期及淋巴结转移相关,circSPARC能够与miR-485-3p相结合促进JAK2的表达,进而促进p-STAT3的核易位,敲低circSPARC能够抑制结直肠癌肺转移,因此,circSPARC可作为结直肠癌潜在的诊断、预后生物标志物及治疗靶点。Zhi等[22]发现,circ102049在伴有肝转移的原发性结直肠癌肿瘤组织中高表达,与结直肠癌患者的预后密切相关,能够作为结直肠癌潜在的预后预测标志物。circ102049通过miR-761/miR-192-3p-FRAS1依赖性机制促进结直肠癌进展及肝转移,circ102049-miR-761/miR-192-3p-FRAS1可能是结直肠癌患者的抗转移靶点。Ma等[23]发现,circ_0115744在伴有肝转移的结直肠癌患者的肿瘤组织中高表达,并且circ_0115744能够作为ceRNA与miR-144结合,降低miR-144对其靶基因EZH2的抑制作用,进而促进结直肠癌在体内外的进展。circ_0115744的表达能够区分结直肠癌肝转移的患者以及结直肠癌患者,因此,circ_0115744能作为结直肠癌肝转移患者潜在的诊断标志物及治疗靶点。

4.3 circRNA调控结直肠癌治疗耐药

术后辅助化疗是常见的预防复发并延长结直肠癌患者生存期的有效手段,目前治疗结直肠癌最常见的化疗药物是5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)。转移性结直肠癌的辅助化疗策略通常为三药化疗(氟尿嘧啶+奥沙利铂+伊立替康,即FOLFOXIRI方案)联合贝伐珠单抗治疗,然而超过90%的转移性结直肠癌患者对化疗药物都存在先天性或获得性耐药,是导致晚期结直肠癌患者预后不良的原因之一[24]。研究表明,circRNA与肿瘤术后化疗耐药性有关,其能充当miRNA sponge调控结直肠癌细胞对化疗药物的敏感性。Ren等[25]发现,circDDX17在结直肠癌肿瘤组织和细胞中低表达,且circDDX17能通过与miR-31-5p结合来调节KANK1的表达,进而抑制肿瘤细胞对5-FU的敏感性和结直肠癌的进展。Lai等[26]研究表明,has_circ_0079662可以作为ceRNA与has-miR-324-5p结合来调控靶基因HOXA9,进而通过肿瘤坏死因子-α通路诱导结直肠癌细胞对化疗药物奥沙利铂耐药。Wang等[27]证实,丙酮酸激酶的M2亚型(pyruvate kinase isoenzyme type M2,PKM2)在结直肠癌细胞中异常表达,在敏感细胞中相对较低,并发现化学耐药细胞具有较强的糖酵解和ATP产生,通过PKM2依赖性机制,化学敏感细胞可能逐渐转变为化疗抗性细胞,而has_circ_0005963可以通过miR-122海绵靶向PKM2,进而促进糖酵解和细胞耐药。Li等[28]发现,circ_0032833在奥沙利铂耐药的结直肠癌肿瘤组织中高表达,并与耐药性相关,circ_0032833通过体内miR-125-5p/MSI1轴抑制5-FU和奥沙利铂的敏感性。

5 总 结

结直肠癌早期诊出率不高,而中晚期结直肠癌患者5年生存率极低,且近年来结直肠癌的发病呈现出年轻化趋势[29-30],所以提高结直肠癌的早期诊断率迫在眉睫。生物标志物对于疾病的早期诊断、治疗策略以及对患者生存、预后的判断都能起到关键作用,临床上预测性生物标志物有助于临床决策及治疗,因此,寻求结直肠癌特异性及敏感性的生物标志物是结直肠癌早期筛查及提高结直肠癌患者生存率及改善预后的关键。