环状RNA:非编码RNA中的一颗明星

circRNAs是一种共价闭合环状RNA，高频率出现于真核生物转录本中。最近在哺乳动物细胞中发现了成千中内源的circRNAs。circRNAs由内含子或外显子序列产生，反向重复序列和RBPs对于circRNAs的形成是必要的。

最近研究已经表明circRNAs可以以miRNA 海绵发挥作用，调控剪切或转录及亲本基因的表达。已有研究证明circRNAs在 动脉粥样硬化血管疾病、神经紊乱、感染疾病和癌症中具有重要作用，在直肠癌和胰腺管恶性肿瘤中异常表达，这暗示circRNAs可以作为预测或检测某些疾病的生物标记分子。

与miRNA和lncRNA相似，circRNAs已经成为RNA研究领域的一大热点，广泛参与到生命的各个反应中。本文简单介绍了miRNA的种类、形成、特点，讲述了其潜在功能及与一些疾病的关系。

1.miRNA的种类

miRNA表达水平很低，一度认为是由剪接体介导的剪切错误的副产物，或是介导内含子套索结构降解逃逸。因此，极少关注miRNA，且不认为在生物学过程中具有重要作用。2010年前，几乎无新miRNA被发现，miRNA起源研究进展极小。由于高通量深度测序和计算机分析的快速发展，从古生菌到人类跨物种的几千中circRNA被发现，更有甚者，一些基因的circRNA的转录量至少是其线性转录本的10倍。

表1 近年来在人中鉴定到的circRNA[1]

图1 在人和线虫不同细胞中发现的circRNA[2

2. circRNA的生物起源

Jeck et al.提出了两个circRNA形成的模型。模型1名为套索驱动的环化或外显子跳跃(图2 a)，模型2为内含子驱动的环化或直接后剪切(图2 b)。Kelly和他的同事也发现外显子环化广泛存在，且与TNFα或GFβ处理过的人脐静脉内皮细胞的外显子跳跃有关。很快，在人细胞就发现一类新由内含子产生的circRNA，将其称为环内含子RNA(ciRNAs)。

ciRNAs的形成依赖于包含在5′剪切位点附近7-nt GU-rich元件和在分支位点的11-nt C-rich的元件的一致性基序(图2 c) 。

另外，研究者已经发现盲肌蛋白可以结合到circMbl的侧翼内含子上，作为RNA结合蛋白将两侧的内含子连接拉近，引起circRNAs的形成。有研究者报道了另外一种circRNAs形成的机制，RNA结合蛋白（RBPs）作为连接两侧内含子的桥梁，使得剪切供体和受体靠近从而促使circRNAs的形成(图2d)。

提出了与选择剪切相似的选择环化模型(图3) 。在单侧内或两侧内含子中的互补序列引起的竞争性RNA配对，对选择剪切和外显子的环化具有重要影响。在单侧内含子的互补序列可足够促进线性mRNA的形成，相反，在两侧的互补序列则有利于外显子的环化。反向互补序列之间的竞争性可使一个基因加工得到引起多种circRNA转录本(Fig. 2)。

图2 circRNA发生模型

图3 选择性环化模型

3. circRNAs的性质

首先，这些circRNAs为共价闭合环状结构，无5′–3′极性和多聚腺嘌呤尾巴，这也使得它们比线性RNA更加稳定，不易受RNA外核酸酶或RNase R影响，第二，circRNAs种类繁多，在一些案例中，circRNAs分子的丰度是对应线性RNAs的十倍多。第三，circRNAs大多由外显子组成，主要存在于细胞质，可能包含miRNA反应元件。这些性质表明，circRNAs在转录和转录后水平具可能有重要潜在作用，在疾病诊断可作为理想的生物标记分子。

4. CircRNA的功能

4.1 CircRNA具有竞争性内源性RNAs 或miRNAs功能

竞争性内源性RNAs(ceRNAs)含有共享的MREs，比如mRNAs、假基因和长非编码RNA (lncRNAs)，可以竞争性miRNA结合。因此ceRNAs的拥有与否会影响miRNA调控基因的活性。最近一系列证据表明，circRNAs可以miRNAs或有效的ceRNA分子起作用，可以减少microRNA结合位点的多态性。

例如，外显子circRNAs ciRS-7/CDR1as（miR-7 ）/ CDR1的反义环状RNA）和Sry都可以结合到miRNA上（图4）[7]，并不发生降解，这说明其有极好的ceRNA活性。

图4  ciRS-7以miRNA海绵作用作用于miR-7

图5 ceRNA 调控网络

4.2 circRNAs调节选择性剪切或转录

此前已有有研究表明circRNAs参与选择性剪切或转录调控。circMbl侧翼的内含子及circMbl有保守的MBL结合位点，可以与MBL紧密结合，MBL水平的改变显著影响circMbl的形成，效应取决于侧翼内含子序列的MBL结合位点（图6）。这说明通用剪切因子，如MBL，可能对于选择性剪切具有重要作用，参与调控circRNA形成和传统剪切的平衡。

显然，包含翻译起始位点的circRNA可发挥mRNA trap功能，产生一个非编码线性转录本，从而降低Fmn的表达水平。Jeck和Sharpless在人纤维原细胞中发现了大量包含翻译起始位点的单外显子circRNAs（图7）。

4.3 circRNAs调控亲本基因的表达

最近的研究已经揭示circRNAs可以调控亲本基因的表达。研究表明这些ciRNA在核仁中含量高，可与polymerase II (Pol II)机器作用，可以反式作用调节宿主的转录活性。在人细胞中新发现名为EIciRNAs的circRNAs与RNA Pol II相结合，比如circEIF3J 和circPAIP2就主要存在于核仁中，与U1 snRNPs相互作用，以反式作用增强父本基因的转录。cir-ITCH和ITCH的 3′- UTR共享一些miRNA结合位点。cir-ITCH 和miR-7、miR-17及miR-214相互作用可以增强ITCH的表达。

图8 三种circRNAs调控亲本基因的模型

5. circRNAs与疾病

circRNA参与到几乎所有的细胞功能中。circRNA可以与miRNA作用从而调控其靶基因的调控，故其也可能与cmiRNA相关疾病有关。例如CDR1as就很可能与miR-7相关的疾病相关，已有研究表明发现CDR1as参与帕金森症、阿尔茨海默病、脑部发育疾病及癌症。

6. 总结

circRNAs的功能和发生机制可能比目前的更加多种多样，参与到许多生物学过程，与许多疾病相关，有望成为一种新的检测和跟踪疾病的生物标记。但就目前的研究成果，主要集中于circRNAs的发生机制，对于已经发现和预测的许多circRNAs，其定位和降解过程，以及具体功能并不清楚，都需要进一步的研究。