一、 環(huán)狀RNA的定義

環(huán)狀 RNA (circular RNA，circRNA) 是區(qū)別于傳統(tǒng)線性RNA的一類新型RNA，具有閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，廣泛且多樣地存在于真核細胞中，具有調(diào)控基因表達作用的內(nèi)源性 RNA 分子。

二、 環(huán)狀RNA研究歷史

circRNA 最早于20世紀70年代在RNA病毒中被發(fā)現(xiàn)。1979 年，Hsu和Coca-Prados利用電子顯微鏡第一次觀察到RNA可以以環(huán)狀的形式存在于真核細胞的細胞質(zhì)中。緊接著，Arnberg 等在酵母的線粒體中又發(fā)現(xiàn)了circRNA。到了1993 年，人們在人體細胞的轉(zhuǎn)錄本中也發(fā)現(xiàn)了一些由外顯子構(gòu)成的circRNA。但是，在當時，circRNA僅僅被認為是一類由外顯子轉(zhuǎn)錄本發(fā)生錯誤剪接而形成的低豐度RNA分子，因而對它們的研究不夠深入，以至于到1999年發(fā)現(xiàn)的circRNA數(shù)目也只有少數(shù)幾種。但近年來，隨著RNA測序(RNA sequencing，RNA-seq) 技術(shù)的廣泛應(yīng)用和生物物理學技術(shù)的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)人類許多外顯子的轉(zhuǎn)錄本可被非線性地反向剪接或通過基因重排而形成circRNA，且它們在所有剪接轉(zhuǎn)錄本中占了相當大的比例。Jeck 等在人類成纖維細胞中檢測出了高達 25000 多種的circRNA；而Memczak等通過RNA-seq 數(shù)據(jù)結(jié)合人白細胞數(shù)據(jù)庫鑒定出 1950種人類circRNA、1903種小鼠circRNA (其中81種與人類circRNA相同) 和724種線蟲circRNA。雖然人們開展circRNA的生物學功能及其在人類疾病發(fā)生、發(fā)展中作用的研究才剛剛起步，但這方面的進展非常迅速。

三、 環(huán)狀RNA研究進展與運用方向

應(yīng)用方向

A. 基礎(chǔ)研究：

1) 人類正常組織、細胞、發(fā)育階段的circRNA表達譜；

2) 疾病或者腫瘤組織中環(huán)狀RNA表達譜；

3) circRNA的功能和調(diào)控機制研究；

B. 臨床運用：

新型的分子標志物；

圖1. CircRNA的運用方向(Li et al. 2015. Am J Cancer Res)

四、 circRNA特點

1) 大部分是非編碼RNA(non-coding RNA，ncRNA)，沒有PolyA結(jié)構(gòu)；

2) 大多數(shù)由外顯子形成，少數(shù)來源于內(nèi)含子或內(nèi)含子片段；

3) 大多數(shù)定位于細胞質(zhì)中，少數(shù)定位于細胞核內(nèi)，具有一定的組織、時序和疾病特異性；

4) 不易被核酸外切酶 RNase R降解，與線性RNA相比能更穩(wěn)定地存在于人體內(nèi)；

5) 在人體細胞中廣泛表達，它們的表達水平有時甚至超過了它們線性異構(gòu)體的10倍之多；

6) 多數(shù)具有高度保守序列，僅少數(shù)在進化上不保守；

7) 同一個基因序列即可轉(zhuǎn)錄成線性RNA，又可以轉(zhuǎn)錄成環(huán)狀RNA;

8) 有些circRNA 具有微小RNA ( microRNA，miRNA) 應(yīng)答元件 ( microRNA response element，MRE)，能與 miRNA 相互作用，從而調(diào)控靶基因的表達；

9) 大多數(shù) circRNA 能在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮調(diào)控作用，少數(shù)只能在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮作用。

五、 circRNA的形成

目前發(fā)現(xiàn)的環(huán)形RNA分子根據(jù)其在基因組中的來源及其構(gòu)成序列的不同可以分為以下三類，即外顯子來源的環(huán)形RNA分子(exonic circRNAs)，內(nèi)含子來源的環(huán)形RNA分子(circular intronic RNAs,ciRNAs)以及由外顯子和內(nèi)含子共同組成的環(huán)形RNA分子(retained-intron circRNAs)。

圖2. CircRNA的3種形成方式 (Qu et al. 2015. Cancer Letters)

六、 circRNA功能

A. 充當miRNA海綿，與miRNA的相互作用；

小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物 (antisense to the cerebellar degeneration-related protein 1 tran， CDR1as)是小腦變性相關(guān)蛋白-1的環(huán)狀天然反義轉(zhuǎn)錄物，可與miRNA效應(yīng)因子復合物結(jié)合，它含有67個miR-7結(jié)合位點。CDR1as在神經(jīng)組織中與miR-7結(jié)合。在斑馬魚中表達人的CDR1as會破壞中腦的發(fā)育，與miR-7的缺失相似，說明CDR1as是一種miRNA的拮抗劑，其結(jié)合miRNA的能力比其它已知的轉(zhuǎn)錄物高10倍。

Y染色體性別決定區(qū)(sex-determining region Y，SRY)基因僅由一個外顯子組成。在發(fā)育過程早期，它的轉(zhuǎn)錄物是以線性RNA分子的形式存在，然后充當?shù)鞍踪|(zhì)合成的模板。但在成年睪丸中，它的RNA主要以環(huán)狀的形式存在于細胞質(zhì)中，而且不具有翻譯功能。研究證實，基因組序列兩側(cè)的SRY基因外顯子的反向重復序列可直接轉(zhuǎn)錄成circRNA分子Sry。它具有與 CDR1as 類似的功能，含有miR-138的16個結(jié)合位點，通過競爭性結(jié)合miR-138減弱miR-138的抑制作用。

B. 調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄；

近期研究發(fā)現(xiàn)一些環(huán)形RNA分子可參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。ANRIL通過結(jié)合PcG復合物抑制了編碼基因INK4/ARF的轉(zhuǎn)錄，ANRIL轉(zhuǎn)錄本可以經(jīng)過反向剪接形成一種環(huán)狀RNA cANRIL，cANRIL的形成會降低ANRIL的數(shù)量，從而對INK4/ARF的轉(zhuǎn)錄進行調(diào)控。來源于錨蛋白重復結(jié)構(gòu)域52(ankyrin repeat domain 52， ANKRD52)基因第二個內(nèi)含子的ciRNA(ciRNA derived from intron of ANKRD52，ci-ankrd52) 能產(chǎn)生錨蛋白重復結(jié)構(gòu)域，通過反義寡核苷酸(antisense oligo deoxynucleotide，ASO) 以封閉ci-ankrd52的表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ankrd52 mRNA的表達顯著減少。

C. 與RNA結(jié)合蛋白相互作用，調(diào)控其他RNA；

circRNA能與蛋白質(zhì)結(jié)合，抑制蛋白質(zhì)活性、募集蛋白質(zhì)復合體的組分或調(diào)控蛋白質(zhì)的活性。例如 CDR1as能與阿格蛋白(Argonaute, AGO)緊密結(jié)合。

D. 翻譯成蛋白質(zhì)；

環(huán)形RNA除了可以在RNA水平發(fā)揮功能，更有報道表明其可以像線性mRNA分子一樣翻譯形成蛋白質(zhì)。例如B型肝炎病毒中的環(huán)形RNA分子hepatitis δ，能夠編碼一個病毒相關(guān)蛋白質(zhì)，并在疾病的發(fā)生中發(fā)揮作用。但是目前這種現(xiàn)象只在病毒中得到觀察，在真核生物中含有ATG起始密碼子的環(huán)形RNA分子能否像線性mRNA一樣被核糖體識別進行蛋白質(zhì)的翻譯，還需進一步確認。