circRNA作為ceRNA在結直腸癌中的研究進展

劉燕, 劉文, 湯國輝

南華大學衡陽醫學院附屬南華醫院 1.肛腸外科,湖南衡陽 421002;2.廈門大學藥學院,福建廈門 361102

結直腸癌是常見的惡性腫瘤,在全球癌癥的發病率和病死率中分別居第三和第二位[1]。結直腸癌的治療方法主要以手術切除為主,其次為全身放化療、靶向治療和免疫治療等[2]。近年來盡管結直腸癌早期篩查技術和治療手段不斷改進,但由于結直腸癌患者早期癥狀無特異性,往往篩出率不高,而中晚期患者由于腫瘤轉移及術后復發率高,5年生存率僅12%[3],因此,探索結直腸癌更為敏感、可信的診斷及預后標志物,對于提高結直腸癌患者的總體生存率,改善其預后具有重要意義。

1 circRNA概述

在人類基因組中,大約2%是蛋白編碼基因,其余大部分轉錄本沒有蛋白編碼能力,被稱為非編碼RNA,但隨著核糖體分析及測序技術的開發和應用,越來越多的非編碼RNA被發現含有翻譯成肽的開放閱讀框[4]。非編碼RNA主要包括長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)、環狀RNA(circular RNA,circRNA)、增強子RNA(enhancer RNA,eRNA)等。circRNA是一類特殊的非編碼RNA,是由前體mRNA反向剪接而產生的共價閉合RNA分子,具有穩定性、豐富性及保守性等特征。

circRNA是于1976年在植物類病毒中被首次發現[5],隨后于1979年在多種真核生物中被提取出來[6]。circRNA是通過不同順式元件和反式因子的調節反向剪接而成。根據基因的起源及產生模式,circRNA大致分為外顯子circRNA(exonic circRNA,ecricRNA)、內含子circRNA(intron-derived circRNA,ciRNA)及外顯子-內含子circRNA(exon-intron circRNA,EIciRNA);ecricRNA來源于一個或多個外顯子,ciRNA僅包含內含子,EIciRNA由內含子和外顯子組成[7-9]。circRNA剪切類型與細胞定位有關,circRNA主要通過套索驅動的環化和反向剪接形成,外顯子circRNA主要位于細胞質,而內含子circRNA和外顯子-內含子circRNA主要位于細胞核,目前大部分被鑒定出的circRNA都是外顯子circRNA。

circRNA發揮的功能與其細胞定位密切相關。反向剪接后形成的circRNA,一部分留在細胞核內發揮功能,而大部分circRNA都被轉運到細胞質,通過多種途徑在轉錄及轉錄后參與基因調控。位于細胞核內的circRNA能通過與轉錄啟動子[7]或RNA聚合酶Ⅱ[9]相互作用,進而參與轉錄調控。轉運到胞質的circRNA大部分都可以通過充當microRNA海綿發揮作用,且其中一些circRNA具有多個miRNA直接結合位點,能夠與多個miRNA相互作用。circRNA還可以充當動態支架分子促進蛋白質合成和組裝,一些circRNA還可以與RNA結合蛋白特異性結合,進而影響生物合成和基因表達水平[10]。部分circRNA可以被翻譯成有功能的蛋白,直接發揮作用[11]。

2 miRNA概述

miRNA是一類單鏈非編碼RNA分子,長度約為22個核苷酸,廣泛存在于動植物體內,參與轉錄后基因表達調控。miRNA主要在細胞質中生成,但研究表明,75%miRNA同時存在于細胞質和細胞核中[12]。大部分miRNA基因主要位于蛋白質編碼基因的內含子和基因間區域,由RNA聚合酶Ⅱ或RNA聚合酶Ⅲ轉錄,并通過Drosha核糖核酸酶Ⅲ和Dicer 1核糖核酸酶Ⅲ進行加工。Dicer和反式激活反應元件RNA結合蛋白募集Argonaute蛋白來介導RNA誘導的沉默復合物的組裝。miRNA作為基因調控的關鍵因子,可以通過互補堿基配對來靶向胞質中的mRNA,miRNA與mRNA相互作用的結合位點大部分在3’UTR端,從而抑制mRNA的翻譯、脫腺苷化及降解,但miRNA也可以與mRNA其他位點相結合發揮作用。單個miRNA可以調節包含miRNA反應元件(miRNA response element,MRE)的多個靶標,單個RNA若包含多個MRE也會受到多個miRNA的調控。miRNA能夠與mRNA、非編碼RNA以及miRNA等相互作用,靶向人類基因組中超過60%的蛋白質編碼區,在細胞增殖、凋亡、遷移和侵襲等生物學過程中發揮著復雜且關鍵的作用。

3 ceRNA機制

競爭性內源RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)假說是由Salmena等[13]在2011年提出且被命名。理論上來說,任何含有miRNA反應元件的轉錄本都可以作為ceRNA發揮作用,因此ceRNA網絡能夠將miRNA、lncRNA、circRNA等非編碼RNA與mRNA的功能聯系起來。ceRNA活性受多種因素的影響,如ceRNA成分的豐度和亞細胞定位、miRNA與其海綿的結合親和力、RNA編輯、RNA二級結構和RNA結合蛋白,這些因素的異常通常會引起ceRNA網絡的失調,進而導致人類疾病的發生。此外,ceRNA途徑的有效性主要取決于ceRNA轉錄本的相對水平,ceRNA水平的改變對于增強或減弱靶基因上miRNA的功能至關重要。

4 circRNA作為ceRNA調控結直腸癌的發生發展

近年來,越來越多的證據表明,circRNA廣泛參與生物學進程,在結直腸癌、胃癌和胰腺導管腺癌等多種腫瘤組織中異常表達,能夠作為促癌或抑癌基因在調控腫瘤的發生發展中起著重要作用,并能夠作為某些疾病潛在診斷或預后預測的生物標志物[14-15]。

4.1 circRNA調控結直腸癌細胞增殖、遷移、侵襲和凋亡

研究表明,結直腸癌相關circRNA能夠通過充當miRNA sponge促進或抑制細胞增殖、遷移、侵襲和凋亡,參與結直腸癌發生發展的進程。Xu等[16]研究發現,circRNA_0000392在結直腸癌細胞系中顯著上調,且circRNA_0000392能通過海綿miR-193a-5p來調控PIK3R3的表達,影響AKT-mTOR途徑的激活,從而在體內外抑制結直腸癌細胞增殖和侵襲,且其表達水平與結直腸癌惡性進展呈正相關,提示circRNA_0000392是結直腸癌的潛在治療靶點和判斷預后的標志。Shang等[17]研究發現,circPACRGL在結直腸癌細胞中高表達,能充當miR-142-3p/miR-506-3p海綿來促進轉化生長因子β1(transforming growth factor-β,TGF-β1)的表達,進而促進結直腸癌細胞增殖、遷移和侵襲,以及中性粒細胞N1向N2的分化。Zhou等[18]發現,Has_circ_0001666在結直腸癌細胞系及腫瘤組織中低表達,且Has_circ_0001666能通過與miR-576-5p結合來促進PCDH10表達,進而調控上皮間質轉化及Wnt/β-catenin通路,敲低Has_circ_0001666能夠促進結直腸癌細胞增殖、遷移、侵襲,抑制細胞凋亡,并能夠在體內促進結直腸癌的發生發展及轉移,提示circ_0001666是結直腸癌潛在的診斷生物標志物及治療靶點。

4.2 circRNA調控結直腸癌體內轉移

體內轉移是導致結直腸癌患者死亡的主要因素之一,約20%結直腸癌患者伴有體內其他臟器轉移,常見轉移部位為肝臟及肺臟。研究表明,circRNA能夠促進或抑制結直腸癌患者的肝肺轉移,其具有作為結直腸癌體內轉移的診斷標志物的潛力[19]。Wu等[20]發現,Has_circRNA_002144在結直腸癌細胞系及腫瘤組織中高表達,能與miR-615-5p結合靶向LARP1進而調控結直腸癌的發生發展,敲低circRNA_002144能夠抑制結直腸癌肺轉移,并且circRNA_002144與結直腸癌患者預后不良密切相關,circRNA_002144可以作為結直腸癌患者預后標志物及潛在的治療靶點。Wang等[21]發現,circSPARC在結直腸癌腫瘤組織及患者血樣中表達明顯升高,并與結直腸癌分期及淋巴結轉移相關,circSPARC能夠與miR-485-3p相結合促進JAK2的表達,進而促進p-STAT3的核易位,敲低circSPARC能夠抑制結直腸癌肺轉移,因此,circSPARC可作為結直腸癌潛在的診斷、預后生物標志物及治療靶點。Zhi等[22]發現,circ102049在伴有肝轉移的原發性結直腸癌腫瘤組織中高表達,與結直腸癌患者的預后密切相關,能夠作為結直腸癌潛在的預后預測標志物。circ102049通過miR-761/miR-192-3p-FRAS1依賴性機制促進結直腸癌進展及肝轉移,circ102049-miR-761/miR-192-3p-FRAS1可能是結直腸癌患者的抗轉移靶點。Ma等[23]發現,circ_0115744在伴有肝轉移的結直腸癌患者的腫瘤組織中高表達,并且circ_0115744能夠作為ceRNA與miR-144結合,降低miR-144對其靶基因EZH2的抑制作用,進而促進結直腸癌在體內外的進展。circ_0115744的表達能夠區分結直腸癌肝轉移的患者以及結直腸癌患者,因此,circ_0115744能作為結直腸癌肝轉移患者潛在的診斷標志物及治療靶點。

4.3 circRNA調控結直腸癌治療耐藥

術后輔助化療是常見的預防復發并延長結直腸癌患者生存期的有效手段,目前治療結直腸癌最常見的化療藥物是5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)。轉移性結直腸癌的輔助化療策略通常為三藥化療(氟尿嘧啶+奧沙利鉑+伊立替康,即FOLFOXIRI方案)聯合貝伐珠單抗治療,然而超過90%的轉移性結直腸癌患者對化療藥物都存在先天性或獲得性耐藥,是導致晚期結直腸癌患者預后不良的原因之一[24]。研究表明,circRNA與腫瘤術后化療耐藥性有關,其能充當miRNA sponge調控結直腸癌細胞對化療藥物的敏感性。Ren等[25]發現,circDDX17在結直腸癌腫瘤組織和細胞中低表達,且circDDX17能通過與miR-31-5p結合來調節KANK1的表達,進而抑制腫瘤細胞對5-FU的敏感性和結直腸癌的進展。Lai等[26]研究表明,has_circ_0079662可以作為ceRNA與has-miR-324-5p結合來調控靶基因HOXA9,進而通過腫瘤壞死因子-α通路誘導結直腸癌細胞對化療藥物奧沙利鉑耐藥。Wang等[27]證實,丙酮酸激酶的M2亞型(pyruvate kinase isoenzyme type M2,PKM2)在結直腸癌細胞中異常表達,在敏感細胞中相對較低,并發現化學耐藥細胞具有較強的糖酵解和ATP產生,通過PKM2依賴性機制,化學敏感細胞可能逐漸轉變為化療抗性細胞,而has_circ_0005963可以通過miR-122海綿靶向PKM2,進而促進糖酵解和細胞耐藥。Li等[28]發現,circ_0032833在奧沙利鉑耐藥的結直腸癌腫瘤組織中高表達,并與耐藥性相關,circ_0032833通過體內miR-125-5p/MSI1軸抑制5-FU和奧沙利鉑的敏感性。

5 總 結

結直腸癌早期診出率不高,而中晚期結直腸癌患者5年生存率極低,且近年來結直腸癌的發病呈現出年輕化趨勢[29-30],所以提高結直腸癌的早期診斷率迫在眉睫。生物標志物對于疾病的早期診斷、治療策略以及對患者生存、預后的判斷都能起到關鍵作用,臨床上預測性生物標志物有助于臨床決策及治療,因此,尋求結直腸癌特異性及敏感性的生物標志物是結直腸癌早期篩查及提高結直腸癌患者生存率及改善預后的關鍵。