环状RNA的研究现状及其与糖尿病的相关性

  环状RNA(circularRNA)是一类广泛存在于真核细胞体内的非编码RNA(Non-codingRNA)家族中的成员。一般认为,环状RNA由外显子和(或)内含子组成,具有稳定性、进化保守性及细胞、组织特异性。作为非编码RNA家族的成员,环状RNA广泛参与细胞内RNA介导的调控网络,在转录水平以及转录后水平对基因的表达起调控作用。随着近年来测序技术的发展和成熟,环状RNA逐渐成为研究热点,现已证实环状RNA与多种疾病的发生发展存在密不可分的关系,包括动脉粥样硬化血管疾病、多种神经系统疾病、骨关节炎、结直肠癌、肝癌、胰腺导管癌等。新近的研究表明,环状RNA可能对糖尿病的发生发展发挥调控作用,本文将针对环状RNA的研究现状及其在糖尿病方面的研究进展进行综述。


  环状RNA是非编码RNA家族中的一名新成员,其最早由Sanger等[1]于1976年在植物类病毒中发现。随后,Kos等[2]也在丁型肝炎病毒(hepatitisdeltavirus,HDV)中发现了环状RNA,因此当时普遍认为环状RNA是类病毒的特征性生物学标记。1991年,Nigro等[3]首次发现在人类体细胞中抑癌基因(DCC)表达过程中存在外显子顺序的颠倒,而这正提示了环状RNA的存在,但当时该学者认为这种外显子顺序颠倒是由非正常剪接过程所产生的。然而由于环状RNA不存在3’-帽子结构以及5’-多聚腺苷酸末端,传统的RNA研究方法并不能用于环状RNA的研究[4],这使得对环状RNA的研究处于停滞不前的状态。随着近年来测序技术、生物信息学技术等的快速发展,环状RNA在多个组织、细胞中的表达情况得以证实,环状RNA正成为生物学研究方面的新星[5,6]。

 

一、环状RNA的生物学特性


  随着研究的深入,环状RNA的特性逐渐被学者们总结出来,目前受到公认且较为重要的环状RNA生物学特性主要包括以下四点:


  1.环状RNA的丰富性


  环状RNA种类繁多,广泛、大量存在于真核细胞。迄今,全球的学者已经在多种动植物及真菌细胞内预测出超过10万种环状RNA[5,7-12]。新的研究表明,在人类及小鼠的各种体细胞中存在着数千种环状RNA[7,8,11,13,14],其中绝大部分是由编码基因产生的,这标示着环状RNA可能在真核细胞RNA分子中占有不可忽视的重要地位。


  2.环状RNA性质的稳定性


  多项研究表明,环状RNA主要存在于细胞质中[3,8,13,15-18],但其出核转运的过程尚未清楚,与mRNA相比,外显子环状RNA在细胞内相当稳定[15],半衰期可超过48h[8,19],而在血清中的半衰期仅有约15s[20],证明环状RNA对核酸内切酶具有一定抵抗性,而对于外周循环血中存在的核酸外切酶则没有抵抗性[21]。尽管环状RNA的生物性质比较稳定,其对小干扰RNA(smallinterferingRNA)介导的RNA降解十分敏感[8,13,16],这将成为环状RNA功能研究中十分重要的方法。


  3.环状RNA的生物进化保守性


  Jeck等[8]在人体成纤维细胞中发现超过2000种环状RNA能与小鼠基因组匹配,其中有约450个被匹配的小鼠基因能产生相同的环状RNA。Guo等[22]发现小鼠能产生环状RNA的基因所对应的人类同源基因有66%的可能产生环状RNA。环状RNA的进化保守性提示其在生物体内发挥着重要的功能。


  4.环状RNA的时空特异性


  Rybak-Wolf等[9]的研究表明,环状RNA在哺乳类动物的神经系统中表达十分丰富,在神经元的分化过程中,环状RNA则主要在突触表达。Salzman等[11]的研究发现,DOCK1基因表达的环状RNA在乳腺癌细胞系MCF-7中呈高表达,而在肺癌细胞系A549中则几乎不表达。另外,学者们[13,23,24]通过荧光原位杂交技术观察到环状RNAciRS-7主要存在于胞浆中,而circEIF3J和ci-ankrd52则主要分布于胞核。时空特异性提示环状RNA具有特定的功能,也将为临床疾病提供诊断、评估用的生物学标记。


二、环状RNA的功能


  作为非编码RNA家族的成员,环状RNA广泛参与细胞内RNA介导的调控网络,在转录水平以及转录后水平对基因的表达起调控作用。目前的研究表明,环状RNA的功能主要包括以下四个:


  1.环状RNA与miRNA的相互作用


  部分环状RNA包含数个至数十个不等的miRNA结合位点,具有吸附miRNA的海绵功能(miRNAsponge)。最早在1993年,Capel等[25]通过序列分析推测来源于小鼠Y染色体性别决定区的环状RNASry具有16个miR-138的结合位点,并抑制miR-138对其下游靶标基因的作用。2013年,Hansen等[26]发现,环状RNAciRS-7(circularRNAspongeformiR-7)包含了超过70个miR-7的特异性结合位点,通过对miR-7的吸附作用抑制miR-7的活性,从而增加miR-7下游靶标基因的表达水平,并进一步证实了Capel等对Sry功能的推测。目前通过生物信息学分析已发现上万种环状RNA具有miRNA吸附功能[27],但除了ciRS-7以及Sry外,极少环状RNA有超过10个单一miRNA的结合位点[4],这提示miRNA海绵可能并不是环状RNA的一般功能。


  2.环状RNA与蛋白质的相互作用


  环状RNA可直接与蛋白质结合,也可通过RNA介导间接与蛋白质发生关联,影响蛋白质功能。Ashwal-Fluss等[28]发现RNA剪切因子MBL可结合其亲本基因的第2外显子,促进其产生形成circMbl;而circMbl也能与MBL结合,抑制其活性,减少circMbl的产生。


  3.环状RNA对转录的调控

 

  在人类及小鼠体细胞中,HIPK3基因的第二个外显子可产生环状RNA,而这个序列中包含了经典的启动密码—ATG。这个包含ATG的序列的环化会导致该基因座产生非典型的蛋白质。因此,序列的环化可看作是“选择性剪接”,调控着蛋白质的翻译[4]。


  4.环状RNA的翻译

 

  Chen等[29]构建了包含内部核糖体进入位点(internalribosomeentrysite,IRES)的环状RNA,并使之得到翻译。Kos等[2]发现丁型肝炎病毒的环状RNA可翻译出一段与致病性相关的蛋白,但是其翻译机制与传统机制不同。目前尚未有证据表明真核生物的内源性环状RNA有翻译功能。


三、环状RNA与糖尿病


  据报道,我国20岁以上人群糖尿病(diabetesmellitus,DM)总体患病率为9.7%,其中男性10.6%,女性8.8%,患病总人数达9240万,位居世界第一,而DM前期的患病率高达1.5亿,并有进一步增加的趋势。在所有类型的DM中,2型糖尿病(type2diabetesmellitus,T2DM)病人约占90%[30]。T2DM作为一种多因素综合作用引起的内分泌代谢紊乱性疾病,病理表现主要为外周胰岛素抵抗和胰岛素分泌相对不足,目前认为胰岛素抵抗和胰岛素分泌相对不足是T2DM发病的关键环节,但其内在复杂的分子机制尚未明确[31]。环状RNA已被证实在多种疾病的发生发展中起重要作用,其中也包括有糖尿病。目前环状RNA与糖尿病相关性的研究成果不多,但都发表在影响力比较高的期刊上,可以预测,环状RNA将成为糖尿病发病机制、诊断、治疗等研究的新热点。


  1.环状RNA与糖尿病的发生


  Xu等[32]通过体外细胞实验证实了环状RNA分子Cdr1as(也称为ciRS-7)和miR-7在胰岛细胞中存在有相互关系的表达模式,Cdr1as作为miR-7的RNA海绵,在胰岛细胞中也能通过结合miR-7抑制其活性,从而从转录和翻译水平增加胰岛素的合成和释放,此研究一方面证实了Hansen等[28]对Cdr1as对miR-7的海绵吸附作用,另一方面,Cdr1as和miR-7在胰岛细胞中对胰岛素的合成和释放的调控提示他们可能是糖尿病的发生发展中重要的调控因子,有希望成为有效的治疗靶点,但其具体上下游调控机制仍需作进一步研究。Stoll等[33]通过微列阵分析技术分析了人类胰岛的环状RNA表达情况,发现人类胰岛中有数千种环状RNA表达,497种在小鼠的胰岛中有直系同源的环状RNA表达,其中circHIPK3和ciRS-7在糖尿病db/db小鼠的胰岛中表达水平明显下降。在动物实验中,在野生型的小鼠身上模拟circHIPK3和ciRS-7的这种表达下降可导致野生型小鼠胰岛β细胞增殖受限,胰岛素分泌减少,甚至过早死亡。通过转录组学分析提示circHIPK3是通过吸附miR-124-3p和miR-338-3p,并同时调控Slc2a2、Akt1和Mtpn等多个β细胞的关键基因而发挥生物学作用。


  2.环状RNA与糖尿病的诊断


  Zhao等[34]通过微列阵分析技术分析对比了6例T2DM患者和6例正常志愿者的血清中环状RNA的表达情况,发现共有489种环状RNA的表达存在差异,其中2型糖尿病组共有78种环状RNA表达上调,411种表达下调。通过筛选和荧光定量PCR对总共247名分别为正常人、糖尿病前期患者以及糖尿病患者的外周血进行对比,最终发现人类外周血Has_circ_0054633可作为糖尿病前期以及2型糖尿病的诊断标记,其敏感度和特异度分别是75%和79%。此研究为糖尿病及糖尿病前期的诊断提供了新的思路,但其有效性及实用性仍需进一步研究支持。


  此外,也有研究表明环状RNA与妊娠期糖尿病[35]和糖尿病视网膜病变[36]有关。环状RNA与糖尿病相关性的研究为糖尿病的发病机制研究提供了新的思路,为糖尿病的诊断提供新的生物学标记,也将为糖尿病的治疗提供新的靶点。


四、问题与展望


  目前Circbase(http://www.circbase.org/)等[37]数据库已收录了近10万种环状RNA的测序结果,并有诸如starBase[38](http://starbase.sysu.edu.cn/),RegRNA(http://regrna2.mbc.nctu.edu.tw/)等预测circRNA-miRNA相互作的数据库,为研究者系统地研究环状RNA提供了便利。同时,人工构建环状RNA表达载体以及特异性siRNA的技术正日趋成熟,使学者们能对环状RNA的功能进行探究。目前环状RNA在糖尿病方面的研究正转向实用性研究,更多诊断性、预测性的生物学标记在逐渐涌现。目前对环状RNA和糖尿病仍有问题需要学者们深入研究:(1)环状RNA的生成机制及调控机制;(2)真核生物环状RNA是否有翻译功能;(3)糖尿病,尤其是T2DM的发病机制;(4)环状RNA与糖尿病发生发展的具体调控机制。相信随着研究技术的发展和成熟,环状RNA将为医学和科学界带来更多的发现与突破。


    2019/2/26 17:06:43     访问数:228
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