環狀RNA:非編碼RNA中的一顆明星

circRNAs是一種共價閉合環狀RNA，高頻率出現於真核生物轉錄本中。最近在哺乳動物細胞中發現了成千中內源的circRNAs。circRNAs由內含子或外顯子序列產生，反向重複序列和RBPs對於circRNAs的形成是必要的。

最近研究已經表明circRNAs可以以miRNA 海綿發揮作用，調控剪切或轉錄及親本基因的表達。已有研究證明circRNAs在 動脈粥樣硬化血管疾病、神經紊亂、感染疾病和癌症中具有重要作用，在直腸癌和胰腺管惡性腫瘤中異常表達，這暗示circRNAs可以作為預測或檢測某些疾病的生物標記分子。

與miRNA和lncRNA相似，circRNAs已經成為RNA研究領域的一大熱點，廣泛參與到生命的各個反應中。本文簡單介紹了miRNA的種類、形成、特點，講述了其潛在功能及與一些疾病的關係。

1.miRNA的種類

miRNA表達水平很低，一度認為是由剪接體介導的剪切錯誤的副產物，或是介導內含子套索結構降解逃逸。因此，極少關注miRNA，且不認為在生物學過程中具有重要作用。2010年前，幾乎無新miRNA被發現，miRNA起源研究進展極小。由於高通量深度測序和計算機分析的快速發展，從古生菌到人類跨物種的幾千中circRNA被發現，更有甚者，一些基因的circRNA的轉錄量至少是其線性轉錄本的10倍。

表1 近年來在人中鑑定到的circRNA[1]

圖1 在人和線蟲不同細胞中發現的circRNA[2

2. circRNA的生物起源

Jeck et al.提出了兩個circRNA形成的模型。模型1名為套索驅動的環化或外顯子跳躍(圖2 a)，模型2為內含子驅動的環化或直接後剪切(圖2 b)。Kelly和他的同事也發現外顯子環化廣泛存在，且與TNFα或GFβ處理過的人臍靜脈內皮細胞的外顯子跳躍有關。很快，在人細胞就發現一類新由內含子產生的circRNA，將其稱為環內含子RNA(ciRNAs)。

ciRNAs的形成依賴於包含在5′剪切位點附近7-nt GU-rich元件和在分支位點的11-nt C-rich的元件的一致性基序(圖2 c) 。

另外，研究者已經發現盲肌蛋白可以結合到circMbl的側翼內含子上，作為RNA結合蛋白將兩側的內含子連接拉近，引起circRNAs的形成。有研究者報導了另外一種circRNAs形成的機制，RNA結合蛋白（RBPs）作為連接兩側內含子的橋梁，使得剪切供體和受體靠近從而促使circRNAs的形成(圖2d)。

提出了與選擇剪切相似的選擇環化模型(圖3) 。在單側內或兩側內含子中的互補序列引起的競爭性RNA配對，對選擇剪切和外顯子的環化具有重要影響。在單側內含子的互補序列可足夠促進線性mRNA的形成，相反，在兩側的互補序列則有利於外顯子的環化。反向互補序列之間的競爭性可使一個基因加工得到引起多種circRNA轉錄本(Fig. 2)。

 

圖2 circRNA發生模型

 

圖3 選擇性環化模型

3. circRNAs的性質

首先，這些circRNAs為共價閉合環狀結構，無5′–3′極性和多聚腺嘌呤尾巴，這也使得它們比線性RNA更加穩定，不易受RNA外核酸酶或RNase R影響，第二，circRNAs種類繁多，在一些案例中，circRNAs分子的豐度是對應線性RNAs的十倍多。第三，circRNAs大多由外顯子組成，主要存在於細胞質，可能包含miRNA反應元件。這些性質表明，circRNAs在轉錄和轉錄後水平具可能有重要潛在作用，在疾病診斷可作為理想的生物標記分子。

4. CircRNA的功能

4.1 CircRNA具有競爭性內源性RNAs 或miRNAs功能

競爭性內源性RNAs(ceRNAs)含有共享的MREs，比如mRNAs、假基因和長非編碼RNA (lncRNAs)，可以競爭性miRNA結合。因此ceRNAs的擁有與否會影響miRNA調控基因的活性。最近一系列證據表明，circRNAs可以miRNAs或有效的ceRNA分子起作用，可以減少microRNA結合位點的多態性。

例如，外顯子circRNAs ciRS-7/CDR1as（miR-7 ）/ CDR1的反義環狀RNA）和Sry都可以結合到miRNA上（圖4）[7]，並不發生降解，這說明其有極好的ceRNA活性。

 

圖4  ciRS-7以miRNA海綿作用作用於miR-7

 

圖5 ceRNA 調控網絡

4.2 circRNAs調節選擇性剪切或轉錄

此前已有有研究表明circRNAs參與選擇性剪切或轉錄調控。circMbl側翼的內含子及circMbl有保守的MBL結合位點，可以與MBL緊密結合，MBL水平的改變顯著影響circMbl的形成，效應取決於側翼內含子序列的MBL結合位點（圖6）。這說明通用剪切因子，如MBL，可能對於選擇性剪切具有重要作用，參與調控circRNA形成和傳統剪切的平衡。

顯然，包含翻譯起始位點的circRNA可發揮mRNA trap功能，產生一個非編碼線性轉錄本，從而降低Fmn的表達水平。Jeck和Sharpless在人纖維原細胞中發現了大量包含翻譯起始位點的單外顯子circRNAs（圖7）。

4.3 circRNAs調控親本基因的表達

最近的研究已經揭示circRNAs可以調控親本基因的表達。研究表明這些ciRNA在核仁中含量高，可與polymerase II (Pol II)機器作用，可以反式作用調節宿主的轉錄活性。在人細胞中新發現名為EIciRNAs的circRNAs與RNA Pol II相結合，比如circEIF3J 和circPAIP2就主要存在於核仁中，與U1 snRNPs相互作用，以反式作用增強父本基因的轉錄。cir-ITCH和ITCH的 3′- UTR共享一些miRNA結合位點。cir-ITCH 和miR-7、miR-17及miR-214相互作用可以增強ITCH的表達。

 

圖8 三種circRNAs調控親本基因的模型

5. circRNAs與疾病

circRNA參與到幾乎所有的細胞功能中。circRNA可以與miRNA作用從而調控其靶基因的調控，故其也可能與cmiRNA相關疾病有關。例如CDR1as就很可能與miR-7相關的疾病相關，已有研究表明發現CDR1as參與帕金森症、阿爾茨海默病、腦部發育疾病及癌症。

6. 總結

circRNAs的功能和發生機制可能比目前的更加多種多樣，參與到許多生物學過程，與許多疾病相關，有望成為一種新的檢測和跟蹤疾病的生物標記。但就目前的研究成果，主要集中於circRNAs的發生機制，對於已經發現和預測的許多circRNAs，其定位和降解過程，以及具體功能並不清楚，都需要進一步的研究。