近年來(lái)，circRNA作為非編碼RNA研究領(lǐng)域中的新寵，在每一個(gè)研究領(lǐng)域、研究方向都有發(fā)現(xiàn)circRNA新功能，吸引著無(wú)數(shù)科研小伙伴們的眼光聚焦于此，在心癢難耐、摩拳擦掌的同時(shí)，是不是又不知如何下手呢？嘻嘻，那偷偷告訴你呦，閱讀全文即可快速了解circRNA的前世今生和經(jīng)典的研究思路。
簡(jiǎn)介
circRNA（circular RNA，環(huán)狀RNA）是一類(lèi)具有閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)的非編碼RNA分子，沒(méi)有5′ 帽子結(jié)構(gòu)和3′ poly（A）結(jié)構(gòu)（如圖1），主要位于細(xì)胞質(zhì)或儲(chǔ)存于外泌體中，不受RNA外切酶影響，表達(dá)更穩(wěn)定且不易降解，已被證明廣泛存在于多種真核生物體內(nèi)[1]。大多數(shù)circRNA是由外顯子環(huán)化而成，也有部分circRNA是由內(nèi)含子環(huán)化而成的套索結(jié)構(gòu)（lariat）。同時(shí)由于circRNA含有大量的miRNA應(yīng)答原件（MREs），能與AGO蛋白形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（RISC）的催化核心，最終導(dǎo)致circRNA降解。根據(jù)來(lái)源，circRNA可大致分為四類(lèi)：全外顯子型的circRNA，內(nèi)含子和外顯子組合的EIcircRNA，內(nèi)含子組成的套索型ciRNA，由病毒RNA基因組、tRNA、rRNA、snRNA等環(huán)化產(chǎn)生的circRNA。
圖1 circRNA結(jié)構(gòu)示意圖 (Li et al., 2015)
研究背景
早在二十年前，科學(xué)家們將從植物類(lèi)病毒、酵母線粒體以及乙型肝炎病毒中鑒定的circRNA視為異常剪切后產(chǎn)生沒(méi)有調(diào)控功能的副產(chǎn)物。2013年，Nature雜志刊登了題為“Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges”的circRNA研究文章，其首次提出并證實(shí)circRNA是作為miRNA海綿的調(diào)控機(jī)制，為circRNA研究提供了新的曙光。伴隨著RNA測(cè)序技術(shù)和生物信息分析的快速發(fā)展，在人組織的轉(zhuǎn)錄組中已經(jīng)鑒定出14807個(gè)候選的circRNA，以及其他物種細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)許多外顯子可被非線性的反向剪切或基因重排而形成circRNA。
在《2018研究前沿》中，據(jù)統(tǒng)計(jì)circRNA已陸續(xù)榮登生物科學(xué)TOP10熱點(diǎn)榜單和新興前沿榜單，其細(xì)胞定位、成環(huán)機(jī)制和功能研究的熱度不減，儼然是非編碼RNA領(lǐng)域最火熱的明星分子。正如此，Han et al撰寫(xiě)了一篇關(guān)于circRNA在各個(gè)疾病中研究進(jìn)展的綜述，主要是探討其在未來(lái)腫瘤治療上優(yōu)勢(shì)（如圖2），其中紅色的字體是腫瘤，黑色的字體是其它疾病[2]，旨在為廣大科研學(xué)者們拋磚引玉。
圖2 circRNA已被證實(shí)在不同疾病中的功能概述和研究進(jìn)展（Han et al., 2018）
成環(huán)機(jī)制
circRNA環(huán)化方式分為內(nèi)含子環(huán)化和外顯子環(huán)化[3]，目前主流的成環(huán)機(jī)制可歸類(lèi)成三種：
1. 依賴(lài)于剪切體的索尾插接環(huán)化。在mRNA前體上，通過(guò)連續(xù)的組裝小核核糖體蛋白從而催化外顯子下游的5′ 供體位點(diǎn)連接到上游的3′ 受體位點(diǎn)，索尾插接形成環(huán)化，然后通過(guò)剪切形成circRNA。
2. 順式作用元件促進(jìn)circRNA形成。部分circRNA外顯子兩側(cè)的內(nèi)含子中含有反向互補(bǔ)序列，首先在剪切位點(diǎn)上并排形成RNA雙鏈體，再通過(guò)可變剪切形成帶內(nèi)含子和不帶內(nèi)含子兩種不同的circRNA。或者外顯子內(nèi)部以及兩側(cè)的內(nèi)含子可以競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行RNA配對(duì)，最終通過(guò)可變剪切形成不同類(lèi)型的circRNA。
3. RNA結(jié)合蛋白（RBPs）調(diào)控circRNA形成。通過(guò)將RBPs結(jié)合到外顯子側(cè)翼的內(nèi)含子上，從而促進(jìn)circRNA的形成[4-5]。
圖3 circRNA生物發(fā)生和調(diào)控機(jī)制圖（Chen et al., 2016）
生物學(xué)功能
circRNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)或外泌體中，具有組織特異性、疾病特異性、時(shí)序特異性及高穩(wěn)定性等特征。近幾年，大量的研究表明circRNA在生物的生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫應(yīng)答、疾病發(fā)生和發(fā)展等方面密切相關(guān)，并預(yù)測(cè)其在疾病診斷標(biāo)記物等方面的應(yīng)用前景，但其生物學(xué)功能在很大程度上仍然未知。目前認(rèn)可度比較高的circRNA生物學(xué)功能，歸類(lèi)如下[6]（如圖4）：
1. miRNA sponge。circRNA富含miRNA結(jié)合位點(diǎn)來(lái)充當(dāng)miRNA海綿作用，阻止miRNA在3′ 非翻譯區(qū)與mRNA相互作用，進(jìn)而間接調(diào)控miRNA下游靶基因的表達(dá)。
2. 調(diào)控蛋白結(jié)合。circRNA通過(guò)與mRNA調(diào)節(jié)的結(jié)合蛋白（RBP）結(jié)合，進(jìn)而改變剪接模式或mRNA穩(wěn)定性。
3. 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。circRNA與RNA聚合酶Ⅱ相互作用并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄，或者EIcircRNA可與小核糖核蛋白互作用，再與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合。
4. 編碼功能。circRNA雖然屬于非編碼RNA，但也有部分circRNA可被核糖體翻譯并編碼多肽，進(jìn)而行使調(diào)控功能。
圖4 circRNA生物功能的調(diào)控機(jī)制圖（Zhang et al., 2018）
參考文獻(xiàn)
[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.