叶阳+肖元元+魏丽

[摘要] 环状RNA（circRNA）是一类不同于线性RNA的内源非编码RNA，它是通过反向剪接形成的闭合环状RNA分子，不具有5'端帽子和3'端polyA尾巴结构，能够稳定存在于各种类型真核细胞中。随着生物信息学的快速发展和高通量测序技术的不断革新，目前已经在真核细胞中发现了大量内源性circRNA，其中一些circRNA表达丰度高并呈现出时空表达特异性和物种间保守性，表明circRNA可能在调节基因表达方面具有重要功能。近年来研究发现，circRNA在神经系统紊乱、糖尿病和肿瘤等疾病发生过程中起着较为重要的作用，深入研究circ RNA的结构和功能可更好地了解疾病的发生机制，提高相关疾病的预防和诊断水平。

[关键词] 环状RNA；内源非编码RNA；生物信息学；高通量测序；疾病的发生

[中图分类号] R363 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2017）03（c）-0042-04

Role of cyclic RNA in the pathogenesis of disease

YE Yang1 XIAO Yuanyuan2 WEI Li2

1.Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China； 2.Department of Endocrinology and Metabolism， Sixth People's Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200233， China

[Abstract] circRNA is a class of endogenous non coding RNA， which is different from linear RNA. It is a closed cyclic RNA molecule formed by reverse splicing and lack of the 5' end cap and the 3' end of poly （A） tail structurewhich exist in various types of eukaryotic cells. With the continuous innovation of the rapid development of bioinformatics and high-throughput sequencing technology， a large number of endogenous circRNA have been found in eukaryotic cells at present， and some of themcould highly expressed and showed the specificity of expression in spatio-temporal and conservative among different species， indicating that circRNA may play an important role in the regulation of gene expression. In recent years， the study found that circRNA plays an important role in nervous system disorders， diabetes and cancer and other diseases， in-depth study of the structure and function of circRNA can be better to understand the mechanism of diseases， improve the level of diagnosis and prevention of related diseases.

[Key words] circRNA； Endogenous non coding RNA； Bioinformatics； High-through put sequencing； Disease occurrence

環状RNA（circRNA）是一类共价闭合环状RNA分子，无5'端帽子结构及3'端poly A尾，不受RNA外切酶影响，稳定且广泛地存在于生物界，具有进化保守性[1-4]。1976年，Sanger等[5]在植物类病毒中发现了circRNA。当时仅仅认为circRNA是一类因外显子转录过程发生错误剪接而形成的低丰度RNA分子。近年来随着生物信息学的快速发展和高通量测序技术的不断革新，Jeck等[4]在人类成纤维细胞中检测出高达25000 多种的circRNA，Memczak等[6]通过RNA测序数据结合人白细胞数据库[7]鉴定出1950种人类circRNA、1903种小鼠circRNA（其中81种与人类circRNA相同）和724种线虫circRNA。

circRNA由特殊的前体mRNA（pre-mRNA）可变剪接产生，主要剪接机制包括内含子配对驱动环化[8-9]和外显子跳读[10-12]。通过剪接得到的环状RNA类型可以分为以下3类：外显子circRNA（exoniccircRNAs，ecircRNA），内含子circRNA（circular intronic RNAs，ciRNAs）及内含子外显子共同组成的circRNA（exon-intron circular RNA，ElciRNAs）[13]。

1 circRNA的功能

1.1 作为microRNA分子的海绵体

由外显子构成的ecircRNA具有稳定的环状结构，且大多数ecircRNA包含有miRNA结合位点，因此，ecircRNA可以作为高效的竞争性内源RNA，有效吸附miRNA从而调控miRNA的靶基因[13]。然而，circRNA作为miRNA 海绵，与miRNA相互作用的具体机制仍有待进一步探明。

1.2 调控基因转录

Zhang等[14]首次在人细胞中发现了ciRNA。与exoniccircRNAs不同，ciRNAs含有很少的miRNA结合位点。通过实验证明，部分ciRNAs定位于其转录位点附近，并可以结合RNA聚合酶Ⅱ复合体，通过某些机制影响RNA聚合酶Ⅱ的转录，从而对其母体基因发挥顺式调控作用。

2 在疾病发生中的作用

2.1 在糖尿病发生的作用

小脑变性相关蛋白1反义转录物（antisense to the cerebellar degeneration-relatedprotin 1 transcript，CDR 1as），也称作环状RNA-7（CDR1as/CiRS-7），具有至少70个与微小RNA-7（miR-7）相结合的保守结合位点，CDR1as（CiRS-7）可充当miR-7海绵，调节miR-7靶基因的表达水平[15]。CDR1as（CiRS-7）在糖尿病的诊疗过程中具有重要作用。研究发现，miR-7是胰岛β细胞增殖的负调节物，其在胰岛β细胞中的过表达会损伤β细胞去分化功能和导致胰岛素分泌的下调，从而引起糖尿病。另外miR-7通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路抑制胰岛β细胞扩增，而CDR1as（CiRS-7）能够抑制miR-7功能，从而刺激胰岛β细胞扩增。表明miR-7 可能影响胰腺β细胞的更新，同时也是糖尿病的潜在治疗靶点[16]。

近期，Xu等[17]发现利用Forskolin和PMA刺激胰岛β细胞，可使胰岛β细胞中CDR1as（CiRS-7）在24 h内表达量增加，通过吸附miR-7，上调其靶基因Myrip、Pax6的表达，来达到调节胰岛素分泌的效果。通常情况下，miR-7对Myrip、Pax6有抑制作用，当CDR1as抑制了miR-7的功能时，Pax6可以促进胰岛素基因的复制，Myrip可以协助胰岛素基因转录产物的转运，共同作用来上调胰岛素的分泌。这种错综复杂的分子网络有助于维持体内胰岛素的平衡，可能会使改善胰岛β细胞功能成为新的糖尿病治疗方向。

除此之外，Zhao等[18]最近发现外周血Hsa_circ_ 0054633可作为前期糖尿病与2型糖尿病的诊断标志物。研究人员通过采集健康样本和2型糖尿病的样本的外周血circRNAs进行微点阵分析，发现在糖尿病样本中有489种circRNAs与正常样本中circRNAs的差异表达明显，再从这489种circRNAs中选取5个候选标志物来进一步的验证，这其中就包括Hsa_circ_0054633。经过测试，Hsa_circ_0054633可以作为2型糖尿病的診断标志物。

2.2 在癌症发生中的作用

2.2.1 胃癌 Li等[19]发现Hsa_circ_002059 很可能是胃癌诊断的一个较精准的生物标志物。通过收集101例胃癌患者手术后的胃癌组织和癌旁组织的circRNAs和36例血浆标本，通过对胃癌组织和癌旁组织的circRNAs分析测定，发现Hsa_circ_002059在术后胃癌患者血浆中的水平与术前胃癌患者相比有显著性差异，同时胃癌组织中的Hsa_circ_002059水平显著低于邻近的非肿瘤组织，且它的水平与胃癌的肿瘤阶段显著相关。这就表示可以通过对患者Hsa_circ_002059分子含量的测定来达到鉴别和诊断的效果。

2.2.2 肝癌 Xu等[20]发现环状RNA-7（CDR1as/CiRS-7）在肝癌组织中的含量与肝的微血管侵犯（MVI）发生概率密切相关。癌细胞侵犯微血管的患者有显著的复发率，对预后有着较大的影响。已有研究表明CDR1as（CiRS-7）和miR-7的表达存在明显的负相关性，当肝癌细胞中的CDR1as（CiRS-7）过表达时，会通过吸附miR-7来抑制其活性，这是因为miR-7在肝癌细胞中，增强其靶基因PIK3CD和p70S6K表达能力，从而通过某些机制来增加微血管侵犯（MVI）的概率，导致癌细胞复发率增加，影响疾病的预后。CDR1as（CiRS-7）可能是一个很有前途的肝的微血管侵犯（MVI）生物标志物和一种抑制肝的微血管侵犯（MVI）新的治疗靶点。

2.2.3 宫颈癌 研究发现[21]，环状RNA-7（CDR1as/CiRS-7）和微小RNA-7（miR-7）以及黏着斑激酶（Focal Adhesion Kinase，FAK）之间的相互作用与宫颈癌有着密切的联系。在宫颈癌组织中CDR1as（CiRS-7）、miR-7的表达存在明显的负相关性。在宫颈癌组织中CDR1as（CiRS-7）的表达高于癌旁组织，而微小miR-7在人宫颈癌组织中的表达低于癌旁组织。在宫颈癌细胞Hela和C33A细胞中过表达ciRS-7后，ciRS-7抑制miR-7的活性，从而提高了细胞中miR-7的靶基因FAK的表达，FAK能够促进宫颈癌细胞的增殖、侵袭及迁移，加剧了疾病的恶化。从而针对CiRS-7调节网络的分子靶向治疗有望为宫颈癌的诊断和治疗提供新的方向。

2.3 在神经系统疾病发生中的作用

CDR1as（CiRS-7）最早被发现表达于脑组织，尤其在大脑。Lukiw[22]发现，在散发型阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）的海马CA1 区域存在miRNA-circRNA系统的失调节。当CDR1as（CiRS-7）表达降低或吸附miR-7的能力减弱时，miR-7的表达就会增加，在AD中miR-7的含量增加会直接导致人类中枢神经系统中具有重要作用的泛素蛋白连接酶A表达下调，从而影响中枢神经系统的正常功能，对脑组织造成严重损伤[23]。

此外，CDR1as（CiRS-7）和miR-7以及α-突触核蛋白的相互作用在帕金森病（ Parkinson's disease，PD）中也起重要的调节作用。研究表明当CDR1as（CiRS-7）过表达时，PD中miR-7活性明显减弱，这时miR-7对α-突触核蛋白抑制能力减弱，造成α-突触核蛋白的高表达，α-突触核蛋白的高表达可以损伤神经元的正常功能，对患者造成进一步的危害。因此研究CDR1as（CiRS-7）和miR-7以及α-突触核蛋白之间的调控机制能够弄清PD的发病机制和发现一些新的有效的治疗手段[24]。

2.4 在心脏疾病发生中的作用

近期，研究发现环状RNA-Foxo3在心脏衰老和心脏应激反应中具有重要的作用[25]。研究人员发现Foxo3在老年患者和衰老小鼠心脏中都出现高表达的现象，当沉默Foxo3时，小鼠的成纤维细胞就会出现衰老减缓甚至停止衰老的现象，而当诱导Foxo3过表达时，会加剧细胞的衰老，从而造成心脏的衰老。研究还发现在细胞质中的抗衰老因子，例如ID-1、E2F1、FAK 和HIF1α，在与Foxo3相互作用之后就会被限制在细胞质中，失去原有的抗衰老和抗应激的作用，从而加剧了细胞的衰老。这些现象说明了Foxo3是心脏疾病的潜在治疗靶点，通过了解和研究其具体工作机制，有益于对心脏疾病的预防和治疗。

此外，Wang等[26]发现与心脏相关的环状RNA（HRCR）可以通过调控小分子RNA-miR-223的表达来保护心脏，避免出现心肌肥大和心衰等现象。研究人员发现在转基因小鼠中过表达miR-223时，小鼠会出现心肌肥大和心力衰竭的现象，而缺乏miR-223的小鼠可以避免这种现象。当在小鼠中过表达HRCR时，HRCR可以作为miR-223的海绵体来抑制miR-223的表达，从而减弱小鼠心肌肥大和心衰的现象。因此HRCR和miR-223的相互作用可以作为心脏疾病的一个新型诊疗手段。

3 小结

随着高通量测序和生物信息学技术的快速发展，越来越多的circRNA被发现，circRNA的广泛性，保守性及组织特异性，这些性质都预示着它在未来可能成为一种新型的生物标志物[27]。尽管目前人们对circ RNA的了解仅仅是冰山一角，阐明circRNA生物学功能与机制还相当遥远，但天然生成的circRNA作为miRNA 海绵，通过与miRNA 相互作用从而调控miRNA靶基因的表达，这丰富了人们对非编码RNA的认知，颠覆了RNA仅仅是DNA与编码蛋白之间传递者的传统理念，呈现出一种新的现象和一种新的研究领域。目前circRNA的命名尚未统一，比较权威的circRNA数据库“circBase”已经收录了十万多种circRNA。而circRNA在临床疾病上的应用也为许多疾病提供了一个研究的新思路，是一种充满前景的生物标记物甚至治疗靶点。目前circRNA在糖尿病，癌症等疾病上的治疗都有较好的应用，而研究其具体的机制，药物开发，都是很大的挑戰，同时也是有很大意义和价值的研究过程。可以相信经过科研人员的不懈努力，circRNA的奥秘将慢慢浮出水面，带给人们更多的惊喜和突破。

[参考文献]

[1] Salzman J，Gawad C，Wang PL，et al. Circular RNAs are the predominant transcript isoform from hundreds of human genes in diverse cell types [J]. PLoS One，2012，7（2）：e30733.

[2] Salzman J，Chen RE，Olsen MN，et al. Cell-type specific features of circular RNA expression[J]. PLoS Genet，2013，9（9）：e1003777.

[3] Memczak S，Jens M，Elefsinioti A，et al. Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency [J]. Nature，2013，495（7441）：333-338.

[4] Jeck WR， Sorrentino JA，Wang K，et al. Circular RNAs are abundant，conserved，and associated with ALU repeats [J].RNA，2013，19（2）：141-157.

[5] Sanger HL，Klotz G，Riesner D，et al. Viroids are single-stranded covalently closed circular RNA molecules existing as highly base-paired rod-like structures [J]. Proc Natl AcadSci USA，1976，73（11）：3852-3856.

[6] Memczak S，Jens M，Elefsinioti A，et al. Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency [J]. Nature，2013，495（7441）：333-338.

[7] Salzman J，Gawad C，Wang PL，et al. Circular RNAs are the predominant transcript isoform from hundreds of human genes in diverse cell types [J]. PLos One，2012，7（2）：e30733.

[8] Chen I，Chen CY，Chuang TJ. Biogenesis，identification，and function of exonic circular RNAs [J]. Wiley Interdiscip Rev RNA，2015，6（5）：563-579.

[9] Chen LL. The biogenesis and emerging roles of circular RNAs [J]. Nat Rev Mol Cell Biol，2016，17（4）：205-211.

[10] Zaphiropoulos PG. Circular RNAs from transcripts of the rat cytochrome P450 2C24 gene： correlation with exon skipping [J]. Proc Natl AcadSci USA，1996，93（13）：6536-6541.

[11] Zaphiropoulos PG. Exon skipping and circular RNA formation in transcripts of the human cytochrome P-450 2C18 gene in epidermis and of the rat androgen binding protein gene in testis [J]. Mol Cell Biol，1997，17（6）：2985-2993.

[12] Jeck WR，Sharpless NE. Detecting and characterizing circular RNAs [J]. Nat Biotechnol，2014，32（5）：453-461.

[13] 張杨，王海滨，陈玲玲.环形RNA分子揭秘[J].生命的化学，2014，34（4）：428-433.

[14] Zhang Y，Zhang XO，Chen T，et al. Circular intronic long noncoding RNAs [J] .Mol Cell，2013，51（6）：792-806.

[15] Hansen TB，Jensen TI，Clausen BH，et al. Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges [J]. Nature，2013，495（7441）：384-388.

[16] Wang Y，Liu J，Liu C，et al. MicroRNA-7 regulates the mTOR pathway and proliferation in adult pancreatic β-cells [J]. Diabetes，2013，62：887-895.

[17] Xu H，Guo S，Li W，et al. The circular RNA Cdr1as，via miR-7 and its targets，regulates insulin transcription and secretion in islet Cells [J]. Sci Rep，2015，5：12453. DOI：10. 1038 /srep12453.

[18] Zhao Z，Li X，Jian D，et al. Hsa_circ_0054633 in peripheral blood can be used as a diagnosticbiomarker of pre-diabetes and type 2 diabetes mellitus [J]. Acta Diabetol，2017，54（3）：237-245. doi： 10.1007/s00592-016-0943-0.

[19] Li P，Chen S，Chen H，et al. Using circular RNA as a novel type of biomarker in the screening of gastric cancer [J]. Clin Chim Acta，2015，444：132-136.

[20] Xu L，Zhang M，Zheng X，et al. The circular RNA ciRS？7 （Cdr1as） acts as a risk factor of hepaticmicrovascular invasion in hepatocellular carcinoma [J]. J Cancer Res ClinOncol，2017，143（1）：17-27. DOI：10.1007/s00432-016-2256-7.

[21] Lee BY，Timpson P，Horvath LG，et al. FAK signaling in human cancer as a target for therapeutics [J]. Pharmacology and Therapeutics，2015

[22] Lukiw WJ. Circular RNA （circRNA） in Alzheimer' s disease（AD） [J]. Front Genet，2013，4： 307.

[23] Cogswell JP，Ward J，Taylor IA，et al. Identification of miRNA changes in Alzheimer's disease brain and CSF yields putative biomarkers and insights into disease pathways [J]. J Alzheimers Dis，2008，14（1）：27-41.

[24] Du WW，Yang W，Chen Y，et al. Foxo3 circular RNA promotes cardiac senescence by modulating multiple factors associated withstress and senescence responses [J]. Eur Heart J，2016 Feb 11. pii： ehw001.

[25] Junn E，Lee KW，Jeong BS，et al. Repression of alpha-synuclein expression and toxicity by microRNA-7 [J]. Proc Natl Acad Sci USA，2009，106（31）：13052-1305.

[26] Wang K，Long B，Liu F，et al. A circular RNA protects the heart from pathological hypertrophy and heart failure by targeting miR-223 [J]. Eur Heart J，2016，37（33）：2602-2611.

[27] 战昊，朱凯，胡志强，等.环状RNA：非编码RNA研究新方向[J].中国临床医学，2016，23（5）：651-655.

（收稿日期：2016-12-27 本文编辑：苏 畅）