喬木+程碧軍+付晶+武華玉+吳俊靜+劉貴生+梅書棋+彭先文

摘要：環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）對(duì)基因的表達(dá)有重要調(diào)控作用，綜述了circRNA的特征、形成機(jī)制及生物學(xué)功能，并對(duì)近年circRNA在豬中的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞：環(huán)狀RNA；分子特征；生物學(xué)功能

中圖分類號(hào)：S828；Q78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）24-4685-03

環(huán)狀RNA（circular RNA，circRNA）呈閉合環(huán)狀，是一類不具有5′末端帽子和3′末端尾巴的特殊內(nèi)源性非編碼RNA，是目前RNA研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，普遍存在于人、鼠、獼猴、豬等各類動(dòng)物體內(nèi)[1-5]。研究發(fā)現(xiàn)circRNA在轉(zhuǎn)錄本中實(shí)際上所占比例相當(dāng)大，一些基因的circRNA表達(dá)量至少是其線性轉(zhuǎn)錄本的10倍[1]。近年來的研究顯示，circRNA在生物的發(fā)育進(jìn)程中發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能，同時(shí)對(duì)于基因表達(dá)也具有重要調(diào)控作用，包括對(duì)其親本基因及與之結(jié)合miRNA的靶基因調(diào)控。環(huán)狀RNA在生物體內(nèi)非常穩(wěn)定，在疾病的發(fā)生與發(fā)展過程中也扮演著重要角色，這使circRNA的研究具有重大意義。

1 環(huán)狀RNA的發(fā)現(xiàn)

1976年，Sanger等[2]利用電鏡首先在植物感染的類病毒（Viroids）中發(fā)現(xiàn)了這些以共價(jià)鍵形成的閉合環(huán)狀單鏈RNA分子。1990年，首次在真菌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)其蹤跡，Matsumoto等[6]在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)20S RNA沒有自由的5′端和3′端，通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)是呈環(huán)形的RNA分子。隨后發(fā)現(xiàn)從腫瘤抑制基因DCC、人Ets-1基因以及小鼠Sry基因中轉(zhuǎn)錄而來的環(huán)狀RNA[7-9]。盡管在真核細(xì)胞中早已發(fā)現(xiàn)了circRNA的存在，但卻被視為一種由外顯子轉(zhuǎn)錄發(fā)生剪接錯(cuò)誤而未能引起科學(xué)家的關(guān)注[9]。

隨著RNA測序（RNA sequencing，RNA-seq）技術(shù)的發(fā)展及生物信息技術(shù)的更新和完善，使生物學(xué)家們累積了大量的RNA序列數(shù)據(jù)，其中一些來自無尾巴的RNA，于是circRNA的研究成為新熱點(diǎn)[1]。近年來，科學(xué)家們陸續(xù)在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了大量內(nèi)源性、保守且穩(wěn)定的circRNA，在動(dòng)物（人、小鼠、果蠅、線蟲、斑馬魚等）、植物（擬南芥）、真菌（釀酒酵母等）、原生生物（瘧原蟲等）中的circRNA存在明顯的差異[10]。Danan等[11]在古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)circRNA大量存在并具有一定的生物學(xué)功能，且具有很高的保守性。

2 環(huán)狀RNA的特征

目前已鑒定的circRNA主要有以下特征：①circRNA存在于多種真核生物中，在同種生物的不同組織中也廣泛存在[2-8]。它們?cè)谌梭w細(xì)胞中廣泛表達(dá)，有些circRNA的表達(dá)水平甚至超過其線性異構(gòu)體10倍之多[1，12]。②多數(shù)具有高度保守序列[1，12]，僅少數(shù)在進(jìn)化上不保守[13]。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)[13]。④多由一個(gè)或多個(gè)外顯子形成，少數(shù)來源于內(nèi)含子或內(nèi)含子片段。⑤大部分是非編碼RNA（noncodingRNA，ncRNA）。⑥circRNA 呈閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不具有像線性RNA的5′和3′游離末端，不易被RNA核糖核酸酶R（Ribonuclease R，RNase R）分解，與線性RNA相比更穩(wěn)定[13]。環(huán)狀RNA的半衰期一般超過48 h，可利用RNase R消化其他RNA，提純circRNA[14]。因此RNase R的處理對(duì)circRNA起富集作用，并成為判定RNA是否成環(huán)的一個(gè)重要條件。有研究懷疑有少部分circRNA對(duì)RNase R敏感[15]，還有待證實(shí)。⑦部分circRNA擁有miRNA應(yīng)答元件（miRNA response element，MRE），具有miRNA sponge功能，與miRNA相互作用，調(diào)控靶基因的表達(dá)[16]。⑧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)能在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮作用。

3 環(huán)狀RNA的功能

通過高通量測序和生物信息學(xué)分析已經(jīng)在真核生物中鑒定了大量的circRNA，這些circRNA呈現(xiàn)出時(shí)空表達(dá)特異性和物種間的保守性，說明circRNA可能在真核生物基因表達(dá)調(diào)控上具有重要作用。circRNA可能通過以下4種方式發(fā)揮其生物學(xué)功能，分別是miRNA海綿[17，18]、作為翻譯模板[19，20]、調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[21，22]、與RNA結(jié)合蛋白作用[1，16，17]。

3.1 circRNA充當(dāng)miRNA分子“海綿”

由外顯子構(gòu)成的ecRNA具有穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且大多數(shù)ecRNA包含有miRNA結(jié)合位點(diǎn)。ecRNA可作為高效的競爭性內(nèi)源RNA，有效吸附miRNA從而調(diào)控miRNA的靶基因。小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物（Antisense to the cerebellar degeneration-related protein 1 transcript，CDR1as）是一種ecRNA，長度約為1.5 kb，定位于細(xì)胞質(zhì)中，主要在人和小鼠的腦中表達(dá)，含有超過60個(gè)能夠與miR-7結(jié)合的保守性位點(diǎn)，從而作為miR-7分子海綿影響miR-7靶基因表達(dá)，因此，也被稱為miR-7的circRNA海綿（CircularRNA sponge for miR-7，curs-7）[17，18，23]。性別決定基因（Sex-determining region Y，Sry）對(duì)決定哺乳動(dòng)物性別具重要作用，Sry基因在睪丸中可產(chǎn)生環(huán)狀轉(zhuǎn)錄本，SrycircRNA至少有16個(gè)與miR-138結(jié)合的保守性位點(diǎn)，可作為miR-138海綿發(fā)揮作用[18]。

3.2 作為翻譯模板

通常情況下circRNA是不可以被翻譯的，因此被定義為一類新的非編碼RNA[24]。而近年來研究發(fā)現(xiàn)一些circRNA包含有外顯子序列，可能被翻譯成蛋白質(zhì)。最早報(bào)道的是δ肝炎病毒的單鏈環(huán)狀RNA基因組能夠在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中翻譯成病毒相關(guān)蛋白質(zhì)，并在肝炎發(fā)生過程中發(fā)揮作用[25]。endprint

3.3 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄

研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核內(nèi)含量豐富的ciRNA（如ci-ankrd52，ci-sirt7）和ElciRNA（如circEIF3J，circPAIP2）分子可以與U1 snRNP進(jìn)行RNA-RNA相互作用，形成的ciRNA-U1 snRNP或EIciRNA-U1 snRNP復(fù)合物在母系基因啟動(dòng)子區(qū)與RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄復(fù)合體結(jié)合，順式調(diào)控其母系基因的表[21，22]。

3.4 circRNA與蛋白相互作用

circRNA也有蛋白吸附的功能。錨蛋白重復(fù)域52環(huán)狀RNA（ankyrin repeat domain 52 circular intronic RNA，ci-ankrd 52）、真核翻譯起始因子3亞基J環(huán)狀RNA（eukaryotic translation initiationfactor 3 subunit J circular RNA，circEIF3J）和多聚腺苷酸結(jié)合蛋白相互作用蛋白2環(huán)狀RNA（polyadenylate-binding protein-interacting protein 2 circularRNA，circPAIP2）可與RNA聚合酶Ⅱ復(fù)合體相互作用，從而最終調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄[21，22]；circMb1側(cè)翼內(nèi)含子中有許多盲?。╩uscleblind，MBL）蛋白結(jié)合位點(diǎn)，有研究顯示，MBL與盲肌環(huán)狀RNA（muscleblind circular RNA，circMbl）的生物學(xué)合成有關(guān)，當(dāng)MBL蛋白過量時(shí)，其會(huì)通過促進(jìn)circMbl的生成來降低自身mRNA的水平，生成的環(huán)狀RNA分子再通過與多余的MBL結(jié)合將其消除[26]。

4 circRNA在豬中的研究進(jìn)展

Ven？覬等[5]通過高通量測序研究豬妊娠期間（6個(gè)時(shí)間點(diǎn)）腦組織（5個(gè)分區(qū)）發(fā)育相關(guān)的circRNA，共鑒定4 634個(gè)circRNA，其中在妊娠中期皮質(zhì)中circRNA表達(dá)豐度最高，提示circRNA在豬胚胎腦發(fā)育方面具有重要調(diào)控作用；Sun等[27]等通過Ribo-Zero RNA-Seq在長白豬和藍(lán)塘豬背最長肌中檢測到4 360個(gè)差異表達(dá)的circRNA，其中236個(gè)與肌細(xì)胞生成相關(guān)；Liang等[28]從豬脂肪、心肌和肝等9種不同組織以及3個(gè)發(fā)育階段的骨骼肌中，系統(tǒng)鑒定5 934個(gè)circRNA，繪制了豬circRNA時(shí)空?qǐng)D譜，并構(gòu)建了首個(gè)農(nóng)業(yè)動(dòng)物的環(huán)狀RNA數(shù)據(jù)庫。目前有關(guān)circRNA的研究主要集中于疾?。ㄓ绕涫前┌Y），在豬上的研究還鮮有報(bào)道，在豬中深度挖掘參與調(diào)控經(jīng)濟(jì)性狀（脂肪沉積、肌肉發(fā)育、動(dòng)物繁殖等）相關(guān)的circRNA，將成為未來豬遺傳育種研究的新方向。

5 小結(jié)

circRNA的研究還剛剛興起，但其重要性引起了國際上學(xué)者的高度重視，并逐漸揭開circRNA的面紗。circRNA的廣泛性，保守性及組織特異性等特質(zhì)，都預(yù)示著它可能成為一種新型的生物標(biāo)志物。circRNA參與了生物的生長發(fā)育、衰老、疾病等多種生命活動(dòng)過程，在轉(zhuǎn)錄后水平具有調(diào)控基因表達(dá)的重要功能，對(duì)circRNA進(jìn)行研究具有重要意義。

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