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本期专题将围绕CircRNA的生物学功能和成环机制展开，主要内容有细胞核内参与转录调控、转录时与mRNA前体发生剪切竞争、细胞质中与mRNA竞争miRNA的靶向结合位点、包含核糖体进入位点翻译表达有效蛋白以及依赖于剪切体的索尾插接环化、顺式作用元件促进CircRNA形成、RNA结合蛋白（RBPs）调控CircRNA形成等，精不精彩？还等什么，快来和小编一起开启学习模式吧~ 研究背景 共价闭合、单链环状的RNA（CircRNA）是一类比较特殊的RNA，CircRNA没有5′帽子结构和3′poly（A）结构，并且对核酸酶不敏感，因此比普通的线性RNA（linear RNA）更稳定。circRNA主要位于细胞质中，并且可以被储存在外泌体中。早在二十年前，科学家已经在植物类病毒、酵母线粒体RNA以及乙型肝炎病毒中鉴定出CircRNA，随后在人的Ets-1基因以及小鼠的Sry基因中鉴定到内源的CircRNA，但是当时只鉴定出一小部分CircRNA，并且被当做是没有调控潜能的、发生异常剪切后的副产物。近年来，有研究发现由人的INK4a/ARF和CDR1基因环化而来的CircRNA对人的动脉硬化有影响并且参与调控mRNA的表达，为CircRNA研究提供了新的曙光。随着高通量测序以及生物信息分析的快速发展，在不同物种的细胞以及组织中鉴定出成千上万个circRNA的存在，目前在人中已经鉴定出14807个候选的circRNA，说明在人的转录组中，circRNA是一个比较大的RNA家族。尽管已经鉴定出大量的circRNA，但是关于circRNA的功能以及成环机制的研究才刚刚起步。CircRNA的种类按其来源可以归类为以下四种： ①全外显子型的circRNA； ②内含子和外显子组合的EICircRNA； ③内含子组成的套索型ciRNA； ④由病毒RNA基因组、tRNA、rRNA、snRNA等环化产生的circRNA。 到目前为止，已经发现的CircRNA的生物学功能主要有以下四种： 1.细胞核内参与转录调控 有研究报道人细胞中由ANKRD52，MCM5， SIRT7的内含子环化而来的ciRNAs定位于细胞核中，而它们的亲本基因主要定位在细胞质中。研究发现敲除ciRNAs会导致它们的亲本基因的表达量显著下降，并且ciRNAs可以通过正调控RNA聚合酶II的转录从而顺式调控其宿主基因的表达。 2.转录时与mRNA前体发生剪切竞争 CircRNA来源于mRNA前体，mRNA前体在加工过程中可以进行典型的线性剪切产生mRNA，也可以发生非典型剪切产生CircRNA。研究发现提高典型线性剪切的效率会导致产生CircRNA的数目显著减少，当外显子侧翼的内含子长度比较长时，发生典型线性剪切的效率显著下降，而发生环化的效率显著提高，说明转录时CircRNA可以与mRNA前体发生剪切竞争。 3.细胞质中与mRNA竞争miRNA的靶向结合位点 除了小部分通过内含子环化产生的ciRNAs位于细胞核中，大部分的CircRNA主要定位于细胞质中，近年来，有大量的研究发现定位于细胞质中的CircRNA可以和mRNA竞争miRNA的靶向结合位点，从而调控mRNA的表达。研究发现CircRNA ciRS-7由正义链CDR1as产生，ciRS-7含有六十多个保守的miRNA miR-7的靶标结合位点，并且在细胞质中高丰度表达，在每个细胞中大概能吸附两万多个miR-7，因此可以和mRNA竞争miR-7的靶标结合位点，从而影响基因的表达（图1）。CircRNA和miRNA之间的互作是近年来研究的热点，但是目前只鉴定出少量的CircRNA包含多个miRNA的靶向结合位点。
图1 ciRS-7与miR-7互作示意图 4.包含核糖体进入位点，可以翻译表达有效蛋白 CircRNA最初被定义为非编码RNA，随着生物信息分析技术以及高通量测序技术的快速发展，有研究发现由ZNF609基因的二号外显子环化产生的 circ-ZNF609，其开放阅读框中包含起始密码子和终止密码子，进一步的蛋白质组学分析以及Western blot验证发现内源的circ-ZNF609具有翻译蛋白质的功能，但是翻译效率比线性RNA低两个数量级。另外有学者在果蝇的大脑组织中通过核糖体印记分析发现有些CircRNA可以结合到核糖体上，例如circMbl的终止密码子处包含核糖体结合位点，可以翻译表达有效蛋白。CircRNA编码蛋白功能的发现，为CircRNA的功能研究找到了一个全新的突破口。
图2 circRNA翻译表达有效蛋白示意图 CircRNA的环化方式可以分为两种：内含子环化和外显子环化，CircRNA的种类很多，不同类型的CircRNA成环机制不同，目前已经发现的成环机制主要有以下三种： 1.依赖于剪切体的索尾插接环化 真核生物转录组中，通过外显子索尾插接环化形成CircRNA是最早发现的也是最常见的一种CircRNA成环方式。研究发现80%以上CircRNA包含外显子，外显子索尾插接环化依赖于典型的剪切体机制。在mRNA前体上，通过连续的组装小核核糖体蛋白从而催化外显子下游的5′供体位点连接到上游的3′受体位点，形成索尾插接环化，然后通过剪切形成CircRNA ，但是剪切体催化索尾插接环化的具体机制目前还不清楚(图3 a)。 2.顺式作用元件促进CircRNA形成 CircRNA中通常包含2-3个外显子，最近有研究发现哺乳动物和秀丽隐杆线虫中大多数CircRNA以及黑腹果蝇中部分CircRNA外显子两侧的内含子中含有反向互补序列，这些互补序列在剪切位点上并排形成RNA双链体，最后通过可变剪切形成带内含子和不带内含子两种不同的CircRNA（图3 b）。通常长度在30到40的核苷酸序列就可以促进CircRNA的环化，例如灵长类中的Alu元件。另外有研究发现外显子内部以及两侧的内含子可以竞争进行RNA配对，最终通过可变剪切形成不同类型的CircRNA（图3 c）。 3.RNA结合蛋白（RBPs）调控CircRNA形成 除了mRNA前体以及顺式作用元件之外，RNA结合蛋白（RBPs）也参与调控CircRNA的生物起源，例如黑腹果蝇中，Mbl蛋白可以通过结合到外显子侧翼的内含子上，从而促进CircRNA的形成（图3 d）；上皮间质转化过程中，当QKI蛋白的表达量比较高时，形成mRNA，而高表达的QKI蛋白可以结合到外显子侧翼的内含子上，使外显子并排从而促进环化(图3 e）；与QKI蛋白的作用效果相反，高表达量的ADAR1蛋白可以通过破坏外显子侧翼的RNA配对从而抑制CircRNA的形成(图3 f）。
图3CircRNA成环机制 |
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