環狀RNA在豬中的研究進展

喬木+程碧軍+付晶+武華玉+吳俊靜+劉貴生+梅書棋+彭先文

摘要：環狀RNA（circular RNA，circRNA）對基因的表達有重要調控作用，綜述了circRNA的特征、形成機制及生物學功能，并對近年circRNA在豬中的研究進展進行了歸納總結。

關鍵詞：環狀RNA；分子特征；生物學功能

中圖分類號：S828；Q78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）24-4685-03

環狀RNA（circular RNA，circRNA）呈閉合環狀，是一類不具有5′末端帽子和3′末端尾巴的特殊內源性非編碼RNA，是目前RNA研究領域的新熱點，普遍存在于人、鼠、獼猴、豬等各類動物體內[1-5]。研究發現circRNA在轉錄本中實際上所占比例相當大，一些基因的circRNA表達量至少是其線性轉錄本的10倍[1]。近年來的研究顯示，circRNA在生物的發育進程中發揮了重要的生物學功能，同時對于基因表達也具有重要調控作用，包括對其親本基因及與之結合miRNA的靶基因調控。環狀RNA在生物體內非常穩定，在疾病的發生與發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 環狀RNA的發現

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

隨著RNA測序（RNA sequencing，RNA-seq）技術的發展及生物信息技術的更新和完善，使生物學家們累積了大量的RNA序列數據，其中一些來自無尾巴的RNA，于是circRNA的研究成為新熱點[1]。近年來，科學家們陸續在哺乳動物中發現了大量內源性、保守且穩定的circRNA，在動物（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]在古細菌中發現circRNA大量存在并具有一定的生物學功能，且具有很高的保守性。

2 環狀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]。它們在人體細胞中廣泛表達，有些circRNA的表達水平甚至超過其線性異構體10倍之多[1，12]。②多數具有高度保守序列[1，12]，僅少數在進化上不保守[13]。③大多數定位于細胞質中，少數定位于細胞核內[13]。④多由一個或多個外顯子形成，少數來源于內含子或內含子片段。⑤大部分是非編碼RNA（noncodingRNA，ncRNA）。⑥circRNA 呈閉合環狀結構，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相比更穩定[13]。環狀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circRNA起富集作用，并成為判定RNA是否成環的一個重要條件。有研究懷疑有少部分circRNA對RNase R敏感[15]，還有待證實。⑦部分circRNA擁有miRNA應答元件（miRNA response element，MRE），具有miRNA sponge功能，與miRNA相互作用，調控靶基因的表達[16]。⑧大多數circRNA能在轉錄或轉錄后水平發揮調控作用，少數能在轉錄水平發揮作用。

3 環狀RNA的功能

通過高通量測序和生物信息學分析已經在真核生物中鑒定了大量的circRNA，這些circRNA呈現出時空表達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調控上具有重要作用。circRNA可能通過以下4種方式發揮其生物學功能，分別是miRNA海綿[17，18]、作為翻譯模板[19，20]、調控基因轉錄[21，22]、與RNA結合蛋白作用[1，16，17]。

3.1 circRNA充當miRNA分子“海綿”

由外顯子構成的ecRNA具有穩定的環狀結構，且大多數ecRNA包含有miRNA結合位點。ecRNA可作為高效的競爭性內源RNA，有效吸附miRNA從而調控miRNA的靶基因。小腦變性相關蛋白1反義轉錄物（Antisense to the cerebellar degeneration-related protein 1 transcript，CDR1as）是一種ecRNA，長度約為1.5 kb，定位于細胞質中，主要在人和小鼠的腦中表達，含有超過60個能夠與miR-7結合的保守性位點，從而作為miR-7分子海綿影響miR-7靶基因表達，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）對決定哺乳動物性別具重要作用，Sry基因在睪丸中可產生環狀轉錄本，SrycircRNA至少有16個與miR-138結合的保守性位點，可作為miR-138海綿發揮作用[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]。而近年來研究發現一些circRNA包含有外顯子序列，可能被翻譯成蛋白質。最早報道的是δ肝炎病毒的單鏈環狀RNA基因組能夠在哺乳動物細胞中翻譯成病毒相關蛋白質，并在肝炎發生過程中發揮作用[25]。endprint

3.3 調控基因轉錄

研究人員發現，細胞核內含量豐富的ciRNA（如ci-ankrd52，ci-sirt7）和ElciRNA（如circEIF3J，circPAIP2）分子可以與U1 snRNP進行RNA-RNA相互作用，形成的ciRNA-U1 snRNP或EIciRNA-U1 snRNP復合物在母系基因啟動子區與RNA聚合酶Ⅱ轉錄復合體結合，順式調控其母系基因的表[21，22]。

3.4 circRNA與蛋白相互作用

circRNA也有蛋白吸附的功能。錨蛋白重復域52環狀RNA（ankyrin repeat domain 52 circular intronic RNA，ci-ankrd 52）、真核翻譯起始因子3亞基J環狀RNA（eukaryotic translation initiationfactor 3 subunit J circular RNA，circEIF3J）和多聚腺苷酸結合蛋白相互作用蛋白2環狀RNA（polyadenylate-binding protein-interacting protein 2 circularRNA，circPAIP2）可與RNA聚合酶Ⅱ復合體相互作用，從而最終調節轉錄[21，22]；circMb1側翼內含子中有許多盲肌（muscleblind，MBL）蛋白結合位點，有研究顯示，MBL與盲肌環狀RNA（muscleblind circular RNA，circMbl）的生物學合成有關，當MBL蛋白過量時，其會通過促進circMbl的生成來降低自身mRNA的水平，生成的環狀RNA分子再通過與多余的MBL結合將其消除[26]。

4 circRNA在豬中的研究進展

Ven？覬等[5]通過高通量測序研究豬妊娠期間（6個時間點）腦組織（5個分區）發育相關的circRNA，共鑒定4 634個circRNA，其中在妊娠中期皮質中circRNA表達豐度最高，提示circRNA在豬胚胎腦發育方面具有重要調控作用；Sun等[27]等通過Ribo-Zero RNA-Seq在長白豬和藍塘豬背最長肌中檢測到4 360個差異表達的circRNA，其中236個與肌細胞生成相關；Liang等[28]從豬脂肪、心肌和肝等9種不同組織以及3個發育階段的骨骼肌中，系統鑒定5 934個circRNA，繪制了豬circRNA時空圖譜，并構建了首個農業動物的環狀RNA數據庫。目前有關circRNA的研究主要集中于疾病（尤其是癌癥），在豬上的研究還鮮有報道，在豬中深度挖掘參與調控經濟性狀（脂肪沉積、肌肉發育、動物繁殖等）相關的circRNA，將成為未來豬遺傳育種研究的新方向。

5 小結

circRNA的研究還剛剛興起，但其重要性引起了國際上學者的高度重視，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，都預示著它可能成為一種新型的生物標志物。circRNA參與了生物的生長發育、衰老、疾病等多種生命活動過程，在轉錄后水平具有調控基因表達的重要功能，對circRNA進行研究具有重要意義。

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