一文读懂环状RNA

环状RNA的定义是什么？

circRNAs（Circular RNAs，环形RNA分子）是一类不具有5' 末端帽子和3' 末端poly(A)尾巴、并以共价键形成环形结构的非编码RNA分子。

环状RNA研究的历史？

1971年。研究者在马铃薯纺锤块茎病的研究中，发现类病毒（Viroids）能侵染植株并导致死亡。与病毒不同的是，类病毒没有蛋白质外壳包被，基因组是单链、闭合、RNA分子。

1979年洛克菲勒大学的Hsu和Coca-Prados在电子显微镜下观察到的真核细胞细胞质中观测到环状RNA的存在。

image

1993年在小鼠精子决定基因Sry中发现环状转录。

2006年在果蝇中发现来自于Muscleblind的未知环状转录本。

2012年，Salzman通过RNA-Seq方法首次报道了~80个环状RNA。至此借助于高通量测序技术，环状RNA(circular RNA)验明正身进入科研视界。大量的circRNA分子被相继发现，Jeck 等在人类成纤维细胞中检测出了高达 25000 多种的circRNA；而Memczak等通过RNA-seq 数据结合人白细胞数据库鉴定出 1950种人类circRNA、1903种小鼠circRNA (其中81种与人类circRNA相同) 和724种线虫circRNA。虽然circRNA大规模研究时间不长，但重量级文章陆续在NSC等期刊上发表，研究热潮已然升起。

环状RNA主要有哪些类型？

目前发现的circRNA主要来源于基因外显子，但多项研究也表明circRNA的类型比想象的要复杂，可以来自基因组上多种基因结构。

image

image

同一基因位置可以产生不同类型的环状RNA

环状的RNA主要特征有哪些？

(1)circRNA由特殊的可变剪切产生，大量存在于真核细胞的细胞质中，但少部分内含子来源的circRNA则存在于核酸内，具有一定的组织、时序和疾病特异性;

(2)广泛存在于人体细胞中，有时甚至超过它们线性异构体的10倍之多;

(3)与传统的线型RNA(linear RNA，含5＇和3＇末端)不同，circRNA分子呈封闭环状结构，不易被核酸外切酶RNaseR降解，比线性RNA更稳定;

(4)具有高度保守性，部分具有快速的进化性改变;

(5)大多数来源于外显子，少部分由内含子直接环化形成;

(6)部分circRNA分子含miRNA应答元件(miRNAresponse element，MRE)，可充当竞争性内源RNA(competing endogenousRNA，ceRNA)，与miRNA结合，在细胞中起到miRNA海绵的作用，进而解除miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达水平;

(7)可以翻译成蛋白质，但大部分是非编码RNA。

环状RNA的形成机制是什么？

circRNA通过非经典剪接方式进行反向剪接形成。一种模型认为pre-RNA 的转录过程中由于RNA发生了部分折叠，拉近了原本非相邻的外显子，从而发生了外显子跳跃( exon skipping ) ，使得被跨越的区域形成了环形RNA中间体，进一步通过套索剪接形成由外显子构成的环形RNA分子。另一种模型认为，位于内含子区域的反向互补序列导致了内含子区域配对介导反向剪接从而形成环形RNA分子。

image

环状RNA的生物功能有哪些？

A、circRNA顺式调控亲本基因的表达。一方面，circRNA可以与RNA结合蛋白相互结合影响亲本基因mRNA的表达。另一方面，环状RNA形成过程中内含子间竞争性互补配对可以与线性RNA之间达成一种平衡，影响mRNA的表达，甚至蛋白翻译。

环状RNA的3类可变环化模式

image

环状RNA调控亲本（parental）基因的3类模式

image

B、环状RNA发挥竞争性内源RNA——ceRNA的作用吸附microRNA

2013年，两个研究团队在nature杂志上发文报道，CDR1基因起源的环状RNA（ciRS-7）可以结合吸附miR-7，从而降低miR-7的活性，间接上调miR-7相关靶基因的表达。由于环状RNA的稳定性，在机体内潜在对microRNA的吸附能力要强于线性的mRNA和lncRNA。

image

含内含子序列的环状RNA(ciRNA、EIciRNA)一般常驻细胞核内，调节基因的转录。一个典型的案例：来源于ANKRD52基因第二个内含子区域的circRNA ci-ankrd52依赖于和该基因共同的RNA序列（橙色部分）来避免与内含子索套脱支。ci-ankrd52主要在细胞核中积累，并促进RNAPol II对ANKRD52基因的转录。

C、作为疾病的生物标注物？

环状RNA有较强的组织表达特异性，研究发现cANRIL 是一个从INK4A0ARF反义转录本，cANRIL的表达可能与INK4/ARF的转录和心血管硬化疾病风险相关。另外，研究人员发现has_circ_002059在胃癌中表达下调，是一个潜在的胃癌诊断的biomarker。黄胜林团队对肝癌细胞外泌体circRNA测序发现，circRNA在外泌体中大量富集且于正常细胞相比差异很大，同时血清中肿瘤circRNAs的富集程度甚至与肿瘤的大小有关。表明环状RNA是未来疾病诊断和治疗的潜在靶点。

image

（原标题：带着问题去看环状RNA）