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(lèi)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(xì)胞中，具有調(diào)控基因表達(dá)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(jì)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(xì)胞的細(xì)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?cè)谌梭w細(xì)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(dāng)時(shí)，circRNA僅僅被認(rèn)為是一類(lèi)由外顯子轉(zhuǎn)錄本發(fā)生錯(cuò)誤剪接而形成的低豐度RNA分子，因而對(duì)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(lái)，隨著RNA測(cè)序(RNA sequencing，RNA-seq) 技術(shù)的廣泛應(yīng)用和生物物理學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)人類(lèi)許多外顯子的轉(zhuǎn)錄本可被非線性地反向剪接或通過(guò)基因重排而形成circRNA，且它們?cè)谒屑艚愚D(zhuǎn)錄本中占了相當(dāng)大的比例。Jeck 等在人類(lèi)成纖維細(xì)胞中檢測(cè)出了高達(dá) 25000 多種的circRNA；而Memczak等通過(guò)RNA-seq 數(shù)據(jù)結(jié)合人白細(xì)胞數(shù)據(jù)庫(kù)鑒定出 1950種人類(lèi)circRNA、1903種小鼠circRNA (其中81種與人類(lèi)circRNA相同) 和724種線蟲(chóng)circRNA。雖然人們開(kāi)展circRNA的生物學(xué)功能及其在人類(lèi)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(jìn)展非常迅速。
三、 環(huán)狀RNA研究進(jìn)展與運(yùn)用方向
應(yīng)用方向
A. 基礎(chǔ)研究：
1) 人類(lèi)正常組織、細(xì)胞、發(fā)育階段的circRNA表達(dá)譜；
2) 疾病或者腫瘤組織中環(huán)狀RNA表達(dá)譜；
3) circRNA的功能和調(diào)控機(jī)制研究；
B. 臨床運(yùn)用：
新型的分子標(biāo)志物；
圖1. CircRNA的運(yùn)用方向(Li et al. 2015. Am J Cancer Res)
四、 circRNA特點(diǎn)
1) 大部分是非編碼RNA(non-coding RNA，ncRNA)，沒(méi)有PolyA結(jié)構(gòu)；
2) 大多數(shù)由外顯子形成，少數(shù)來(lái)源于內(nèi)含子或內(nèi)含子片段；
3) 大多數(shù)定位于細(xì)胞質(zhì)中，少數(shù)定位于細(xì)胞核內(nèi)，具有一定的組織、時(shí)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(xì)胞中廣泛表達(dá)，它們的表達(dá)水平有時(shí)甚至超過(guò)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(jìn)化上不保守；
7) 同一個(gè)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(dá)；
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(lái)源及其構(gòu)成序列的不同可以分為以下三類(lèi)，即外顯子來(lái)源的環(huán)形RNA分子(exonic circRNAs)，內(nèi)含子來(lái)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(dāng)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(fù)合物結(jié)合，它含有67個(gè)miR-7結(jié)合位點(diǎn)。CDR1as在神經(jīng)組織中與miR-7結(jié)合。在斑馬魚(yú)中表達(dá)人的CDR1as會(huì)破壞中腦的發(fā)育，與miR-7的缺失相似，說(shuō)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(gè)外顯子組成。在發(fā)育過(guò)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(dāng)?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(xì)胞質(zhì)中，而且不具有翻譯功能。研究證實(shí)，基因組序列兩側(cè)的SRY基因外顯子的反向重復(fù)序列可直接轉(zhuǎn)錄成circRNA分子Sry。它具有與 CDR1as 類(lèi)似的功能，含有miR-138的16個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)結(jié)合PcG復(fù)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(guò)反向剪接形成一種環(huán)狀RNA cANRIL，cANRIL的形成會(huì)降低ANRIL的數(shù)量，從而對(duì)INK4/ARF的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控。來(lái)源于錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域52(ankyrin repeat domain 52， ANKRD52)基因第二個(gè)內(nèi)含子的ciRNA(ciRNA derived from intron of ANKRD52，ci-ankrd52) 能產(chǎn)生錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域，通過(guò)反義寡核苷酸(antisense oligo deoxynucleotide，ASO) 以封閉ci-ankrd52的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ankrd52 mRNA的表達(dá)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(fù)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(bào)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(gè)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(shí)別進(jìn)行蛋白質(zhì)的翻譯，還需進(jìn)一步確認(rèn)。
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