circRNA（circular RNA，环状RNA）详解

        近年来，circRNA作为非编码RNA研究领域中的新宠，在每一个研究领域、研究方向都有发现circRNA新功能，吸引着无数科研小伙伴们的眼光聚焦于此，在心痒难耐、摩拳擦掌的同时，是不是又不知如何下手呢？嘻嘻，那偷偷告诉你呦，阅读全文即可快速了解circRNA的前世今生和经典的研究思路。

 

简介

        circRNA（circular RNA，环状RNA）是一类具有闭合环状结构的非编码RNA分子，没有5′ 帽子结构和3′ poly（A）结构（如图1），主要位于细胞质或储存于外泌体中，不受RNA外切酶影响，表达更稳定且不易降解，已被证明广泛存在于多种真核生物体内[1]。大多数circRNA是由外显子环化而成，也有部分circRNA是由内含子环化而成的套索结构（lariat）。同时由于circRNA含有大量的miRNA应答原件（MREs），能与AGO蛋白形成RNA诱导沉默复合体（RISC）的催化核心，最终导致circRNA降解。根据来源，circRNA可大致分为四类：全外显子型的circRNA，内含子和外显子组合的EIcircRNA，内含子组成的套索型ciRNA，由病毒RNA基因组、tRNA、rRNA、snRNA等环化产生的circRNA。

图1 circRNA结构示意图 (Li et al., 2015)

 

 

研究背景

        在二十年前，科学家们将从植物类病毒、酵母线粒体以及乙型肝炎病毒中鉴定的circRNA视为异常剪切后产生没有调控功能的副产物。2013年，Nature杂志刊登了题为“Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges”的circRNA研究文章，其首次提出并证实circRNA是作为miRNA海绵的调控机制，为circRNA研究提供了新的曙光。伴随着RNA测序技术和生物信息分析的快速发展，在人组织的转录组中已经鉴定出14807个候选的circRNA，以及其他物种细胞中发现许多外显子可被非线性的反向剪切或基因重排而形成circRNA。

        《2018研究前沿》中，据统计circRNA已陆续荣登生物科学TOP10热点榜单和新兴前沿榜单，其细胞定位、成环机制和功能研究的热度不减，俨然是非编码RNA领域最火热的明星分子。正如此，Han et al撰写了一篇关于circRNA在各个疾病中研究进展的综述，主要是探讨其在未来肿瘤治疗上优势（如图2），其中红色的字体是肿瘤，黑色的字体是其它疾病[2]，旨在为广大科研学者们抛砖引玉。

图2  circRNA已被证实在不同疾病中的功能概述和研究进展（Han et al., 2018）

 

成环机制

circRNA环化方式分为内含子环化和外显子环化[3]，目前主流的成环机制可归类成三种： 

1. 依赖于剪切体的索尾插接环化。在mRNA前体上，通过连续的组装小核核糖体蛋白从而催化外显子下游的5′ 供体位点连接到上游的3′ 受体位点，索尾插接形成环化，然后通过剪切形成circRNA。

 

2. 顺式作用元件促进circRNA形成。部分circRNA外显子两侧的内含子中含有反向互补序列，首先在剪切位点上并排形成RNA双链体，再通过可变剪切形成带内含子和不带内含子两种不同的circRNA。或者外显子内部以及两侧的内含子可以竞争进行RNA配对，最终通过可变剪切形成不同类型的circRNA。

 

3. RNA结合蛋白（RBPs）调控circRNA形成。通过将RBPs结合到外显子侧翼的内含子上，从而促进circRNA的形成[4-5]。

图3 circRNA生物发生和调控机制图（Chen et al., 2016）

生物学功能

        circRNA主要存在于细胞质或外泌体中，具有组织特异性、疾病特异性、时序特异性及高稳定性等特征。近几年，大量的研究表明circRNA在生物的生长发育、胁迫应答、疾病发生和发展等方面密切相关，并预测其在疾病诊断标记物等方面的应用前景，但其生物学功能在很大程度上仍然未知。目前认可度比较高的circRNA生物学功能，归类如下[6]（如图4）：

1. miRNA sponge。circRNA富含miRNA结合位点来充当miRNA海绵作用，阻止miRNA在3′ 非翻译区与mRNA相互作用，进而间接调控miRNA下游靶基因的表达。

 

2.调控蛋白结合。circRNA通过与mRNA调节的结合蛋白（RBP）结合，进而改变剪接模式或mRNA稳定性。

 

3.调控基因转录。circRNA与RNA聚合酶Ⅱ相互作用并调节转录，或者EIcircRNA可与小核糖核蛋白互作用，再与RNA聚合酶Ⅱ结合。

 

4.编码功能。circRNA虽然属于非编码RNA，但也有部分circRNA可被核糖体翻译并编码多肽，进而行使调控功能。

 

图4 circRNA生物功能的调控机制图（Zhang et al., 2018）

参考文献

[1] Li Y., Zheng Q P., Bao C Y. Circular RNA is enriched and stable in exosomes: a promising biomarker for cancer diagnosis. Cell Res. 2015 Aug, 25(8): 981–984.

[2] Han B., Chao J., Yao H H. Circular RNA and its mechanisms in disease: From the bench to the clinic. Pharmacol. Ther. 2018 Jul, 187:31–44.

[3] Zhu L P., He Y J., Hou J C., et al. The role of circRNAs in cancers. Biosci Rep. 2017 Oct, 37: 5–12.

[4] Chen L L. The biogenesis and emerging roles of circular RNAs. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2016 04, 17(4).

[5] Zhang Z R., Yang T T., Xiao J J. Circular RNAs: Promising Biomarkers for Human Diseases. EBioMedicine. 2018 Aug, 34: 267–274.

[6] Rong D W., Sun H D., Li Z X., et al. An emerging function of circRNA-miRNAs-mRNA axis in human diseases. Oncotarget. 2017 Sep 22, 8(42): 73271–73281.