circRNA——RNA研究领域升起的新星

2017-05-18 11:01:57

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环状RNA对核酸酶不敏感,所以比线性RNA更为稳定,这使得环状RNA在作为新型临床诊断标记物的开发应用上具有明显优势。

circRNAs(Circular RNAs,环形RNA分子)是一类不具有5' 末端帽子和3' 末端poly(A)尾巴、并以共价键形成环形结构的非编码RNA分子。circRNA是区别于传统线性RNA的一类新型RNA,具有闭合环状结构,大量存在于真核转录组中。大部分的环状RNA是由外显子序列构成,在不同的物种中具有保守性,同时存在组织及不同发育阶段的表达特异性。

1. circRNAs形成

circRNA通过非经典剪接方式进行反向剪接形成。一种模型认为pre-RNA 的转录过程中由于RNA发生了部分折叠,拉近了原本非相邻的外显子,从而发生了外显子跳跃( exon skipping ) ,使得被跨越的区域形成了环形RNA中间体,进一步通过套索剪接形成由外显子构成的环形RNA分子。另一种模型认为,位于内含子区域的反向互补序列导致了内含子区域配对介导反向剪接从而形成环形RNA分子。

circRNAs的形成不同于线性RNA的标准剪切模式,是通过backsplicing方式剪切而来。现有的circRNA形成模型主要由以下几种:

(a)“lariat-driven circularization”或者“exon skipping”;

(b)“intron-pairing-driven circularization”或者“direct backsplicing”;

(c)环状内含子RNA(ciRNAs)形成模式;

(d)依赖于RBPs环化模式;

(e)类似于可变剪切的可变环化模式;


图1:circRNAs形成的几种模型


图2. circRNAs基于可变剪切的可变环化模式


2. circRNAs主要特征

(1) circRNAs与传统的线性RNA(linear RNA相比,不含5'和3'末端,呈封闭环状结构,不易被核酸外切酶RNaseR降解,比线性RNA更稳定;

(2) circRNsA由特殊的可变剪切产生,大量存在于真核细胞的细胞质中,但少部分内含子来源的circRNAs则存在于核酸内,具有一定的组织、时序和疾病特异性;

(3)广泛存在于人体细胞中,大部分环状RNA在细胞浆中富集,其丰度有时甚至比相应的线性mRNA高10倍之多;

(4)具有高度保守性,部分具有快速的进化性改变;

(5)大多数来源于外显子,少部分由内含子直接环化形成;

(6) 部分circRNAs分子含miRNAs应答元件(miRNA response element,MRE),可充当竞争性内源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA),与miRNAs结合,在细胞中起到miRNAs海绵的作用,进而解除miRNAs对其靶基因的抑制作用,上调靶基因的表达水平;

(7)大部分是非编码RNA;

(8)大多数ciricRNAs能在转录或转录后水平发挥调控作用,少数只能在转录水平发挥作用。

3. circRNAs生物学功能

(1)cicrRNAs作为内源mRNA的竞争者,是miRNA的海绵吸附体;

内源竞争性RNAs(ceRNAs)包括mRNAs、假基因和lncRNA,可以竞争性结合miRNA。因此,ceRNAs的存在影响miRNAs的功能活性。近来发现的一个环状RNA-CDR1as (也称为ciRS-7) ,在其序列上有超过60个保守的miR-7结合位点,因此起到有效的miR-7海绵作用,能够影响miR-7靶标基因活性。Li等人发现具有跨越E3泛素化蛋白连接酶(ITCH)多个外显子区形成的cir-ITCH具有miR-7、miR-17和miR-214的吸附能力。

(2)circRNAs调控可变剪切或转录过程;

circRNAs的形成依赖于侧翼RNA元件。研究发现一些circRNAs定位在细胞核中,可以与PolⅡ结合通过cis 作用模式调控宿主的转录活性。研究发现一类叫做EIciRNA的环状RNA与RNA PolⅡ关系密切。比如circEIF3J 和circPAIP2定位在细胞核,与U1小核核糖核蛋白(snRNPs)结合,通过cis-acting模式增强亲本基因的转录(如图3)。


图3:circRNAs调控可变剪切或转录过程示意图


(3)circRNAs翻译

研究发现人工合成的在起始位点上游插入IRES的circRNAs可以翻译蛋白。Perriman和Ares在大肠杆菌中构建了一个包含GFP序列的环状mRNA是可以表达GFP的。有趣的是,只有一个天然的circRNA发现是可以翻译蛋白的——HDV,他是乙肝病毒HBV的一个亚型。

除了以上发现的功能,研究人员推测了circRNA的另外一些新的功能,比如可以作为RBP的海绵吸附体,直接与靶基因结合,直接作为模板翻译。

4. circRNA与疾病

最新的研究表明circRNA在疾病发生的起始和发展阶段发挥重要作用,因此可以作为潜在的靶点。比如,HEK293细胞中ciRS-7/CDR1 as的表达受到朊病毒蛋白PrPC过表达的诱导,因此,CDR1 as可能在朊病毒疾病中起作用。

CDR1as在脑中大量表达,同时包含有与miR-7结合的60个碱基结合位点。而miR-7又是与多种疾病和通路相关。现已证实CDR1as参与了Parkin disease, Alzheimer’s disease和脑发育。同时,miR-7有致癌和抑制肿瘤的特性,CDR1as/miR-7很有可能与肿瘤的发生和发展密切相关。

近来研究开始关注于circRNA可能在疾病病理方面起到的作用。例如,环状ANRIL(cANRIL)是长链非编码RNA ANRIL的环状拼接形式,其在人类细胞中的表达与该位点上几个可能影响ANRIL拼接的SNP有关,能调节INK4/ARF的水平并增加动脉粥样硬化的风险。这项研究充分证明circRNA与疾病的发生存在关联,并能很好地作为疾病新型生物标记。

此外,更多的证据显示,环状RNA在miRNA水平的微调上起着非常重要的作用,通过竞争结合miRNA来调控基因的表达。而与疾病关联miRNA的相互作用则说明环状RNA能够参与疾病调节。例如,环状RNA ciRS-7在人脑组织中丰富表达,与脑特异性microRNA miR-7相互作用;而ciRS-7含有多个串联的miR-7结合位点,因此可以作为内源性的miRNA海绵,抑制miR-7活性。考虑到miR-7是各种不同癌症相关通路的重要调节因子,同时也因能直接调节a-突触核蛋白和泛素蛋白连接酶A(UBE2A)的表达而可能与帕金森和阿尔兹海默疾病的发生相关,所以ciRS-7也很有可能作为神经性系统疾病和癌症发生的重要调节因子。

参考文献

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6. Shibin Qu, Xisheng Yang 1 , Xiaolei Li 1 , Jianlin Wang, Yuan Gao, Runze Shang, Wei Sun, Kefeng Dou, Haimin Li (2015).Circular RNA: A new star of noncoding RNAs. Cancer Letters 365 (2015) 141–148.


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