张小跎

摘要： 环形RNAs是一种结构与常见线性RNA不同的一种环形转录物。生命的各个领域环形RNAs广泛存在，包括真核生物、细菌、古生菌和病毒，而且在神经细胞中高度表达，说明它们可能具有一定的生物功能。多年来，我们对于它们的形成机制和功能并不清楚。最近的研究表明环形RNAs的形成机制和功能具有多样性，例如有外显子环化、内含子环化、细菌基因组环化等。

Abstract： Circular RNAs is a ring transcript with a structure different from the common linear RNA. In all areas of life， ring RNAs is widespread， including eukaryotes， bacteria， archaea， and viruses， and is highly expressed in nerve cells， suggesting that they may have certain biological functions. Over the years， we have not been clear about their formation mechanisms and functions. Recent studies have shown that the formation mechanism and function of circular RNAs are diverse， such as exon cyclization， intron cyclization， and bacterial genome cyclization， etc.

关键词： 环形RNA；形成机制；多样性

Key words： circular RNA；formation mechanism；diversity

中图分类号：K826.15 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0176-02

0 引言

多种形成机制造成了多样性的环形RNAs，具有了多种多样的功能，它能够作为miRNA海绵、RBP海绵、翻译蛋白等。在这里我们总结了对于环形RNA生成机制和功能的研究发现。环形RNA以多种形式存在与自然界中，例如真核生物中外显子后向剪接的产物、病毒或类病毒的基因组、古生菌中tRNA和rRNA内含子的剪切产物[1]。外显子环化主要通过后向剪接来形成，后向剪接就是通过下游外显子3'供体特异结合上游外显子5'受体，形成环状结构（图1b）。内含子环化，病毒和类病毒的基因组环化。环形RNAs没有可供核苷酸外切酶识别的3'端，所以能够抵制核苷酸外切酶的降解。成熟环形RNA在细胞质中大量存在，能够作为miRNAs海绵，典型的例子是miR-7海绵。结合RBP合成RNA-protein合成物，或者调解基因转录。

1 环形RNA的形成机制

1.1 外显子环化

真核生物转录过程中，将内含子切除重要分为两步：①内含子上的2'端，又称为分支点（branch point），通过2'端攻击5'端剪切位点，产生一个在5'端具有自由3'-OH的外显子和带有套索结构的中间产物；②通过5'端的3'-OH攻击中间产物的3'端剪切位点，使套索内含子脱离中间产物，最终生成：一个套索内含子和两个外显子结合的线性RNA（图1a）。外显子环形RNAs可能是剪切行为的产物，最早是在1991年被发现[2]。从此成千上百的环形RNAs在哺乳动物中被发现，并且部分外显子高度富集和保守[3-5]。外显子环化的具体机制还不是特别清楚，普遍认为有两种生成机制：外显子跳跃剪接（exon-skipping）和直接后向剪接（back-splicing）（图1ab）。

什么是“直接后向剪接”？这个以前认为是由外显子不规律剪接造成的错误剪接[3，6]。“直接后向剪接”牵涉到一个预期下游外显子的3'-tail与一个通常在上游的外显子的5'-head结合。一个下游的简介供体与上游未剪接的受体匹配结合。最终，外显子环化了（图1b）。第二种环化机制牵涉到由外显子跳跃剪切产生的包含外显子的套索结构。套索结构经过内部剪接，形成环形RNA[7]（图1a）。两种机制比较，直接后向剪接是经常使用的路径[3]。最近研究发现外显子环化依赖于侧翼内含子，不同内含子上的互补重复序列相互作用，决定了外显子环化的效果[8]。另外，已经证明环化和线性剪接是相互竞争性关系，环形RNA应该具有作为基因调控因子的作用[9]。

为了在体内产生特定环形RNA，将包含能够环化的外显子序列与侧翼能够互补配对的内含子，但是不包含额外的上下游外显子序列的过表达质粒注入哺乳动物细胞，这些质粒成功产生了环形RNA。

1.2 内含子环化

Group I内含子自我剪接产生一个分支套索中间体和一个上文提到的外显子跳跃形成的套索内含子（图 1a）。另外，有证据显示group I作为RNA环形物存在，盡管是以2'-5'的形式存在[10]。环形结构需要先释放3'外显子，例如反式剪接（trans-splicing）机制。内含子的2'-OH端攻击5'外显子与内含子的结合部分（5'-剪切位点），产生了环化内含子和5'-外显子。

与剪接体和group II内含子相对的是group I内含子的自我剪接。group I 首先吸附exoG作为额外的亲核试剂作为最初的剪切分子攻击5'剪切位点，随后与内含子5'尾点结合。有趣的是存在的线性内含子可以通过3'-OH端攻击内含子尾点5'-PO[11]，最终释放5'端序列和环化内含子（图1d）。环化位点的选择依赖于先前提到的内含子中特殊分裂位点核苷酸的匹配。结果大量剪短的环形内含子存在，但是多数在体内是不能长期存在。另外除了剪短的环形内含子，全长内含子同样被发现，最初发现在3'剪切位点水解分裂，随后ωG攻击5'剪切位点。最终的产物是全长环形内含子和非环化外显子。然而在四膜虫内含子中，全长环形内含子是较少且难以检测的。然而，对于更复杂的核内group I外显子，在体内时主要生成全长环形内含子，并且易于检测。形成全长环形内含子看起来像是核内group I内含子的特性。剪短和全长的环形内含子的功能目前还未知，但是推测它们的结构可以影响内含子的机动性。

1.3 滚环复制

病毒基因组、类病毒附属RNAs和人类HDV基因组都是环形RNA。他们通过滚环机制进行自我复制，依赖一极或两极的环形模板进行复制，将产生的RNA长链分裂形成双链环形RNA和单分子长链，将单分子长链环化形成环形RNA，并通过互补配对形成新的双链环形RNA（图 1d）。其中一些物种中，依赖宿主酶调节分裂行为，在其他的顺式反应中由核糖酶（锤状核糖酶（HHR）、发卡核糖酶（HPR）、HDV核糖酶）进行分裂。尽管体内自我连接（self-ligation）被检测到，但是分子间连接主要依靠宿主酶催化[12]。在不同的病毒家族中具有多样性，分裂产生5'-phosphate和3'-OH或5'-OH和2'，3'端。这些特性能够被环化中的单位长度的线性RNAs所识别。例如，pospiviroidae家族的成员依靠宿主RNA连接，催化5'-phosphate和3'-OH端连接。将长复制中间产物分裂为单位长度单链，使终端靠近。

Avsunviroidae家族中，单位长度的RNAs是由HHR介导的自我分裂产生的，因此包含5'-OH和2'，3'端。两端是恰当方向的重新排序产生的[13]，据推测依靠tRNAs连接酶进行环化。研究表明，HHR催化产生典型的3'，5'-phosphate bond或另一种形式的自我连接产生的典型的3'，5'-phosphate bond形成环化。三种nepovirus附属RNAs中进行自我连接比较让人信服的是HPR。在体内HPR的连接行为明显比HHR高，因此体内环化很可能只依赖HPR。最近越来越多的证据显示，宿主酶催化环化，推测也可能是tRNA连接。

图1为多种环形RNA的形成机制，其中（a）外显子来源的線性RNA形成和内含子驱动的外显子环化；（b）侧翼内含子互补序列匹配驱动的外显子环化；（c）group I 和group II 催化产生的内含子环化；（d）滚环复制。

2 结束语

所有的环形病毒、类病毒附属RNAs、HDV RNA有一个显著的优点是免于被核酸外切酶降解，全基因组复制同样不需要初始点或者标签，明显与生命的最初形式相关。另外HDV RNA通过它的反基因链进行翻译蛋白，这证明了一个清楚的功能。然而，病毒或类病毒的RNAs编码蛋白是不现实的，因为它们太小了，以至于连最小复杂度的蛋白都无法翻译。

综上所述，由于环形RNA具有上述的多种特征，所以环形RNA可能在生物代谢调节机制中发挥重要的调节功能。由于环形RNA的形成机制多样，已发现多种生物学功能，环形RNA还有许多方面需要进一步探索。

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