本期專題將圍繞CircRNA的生物學(xué)功能和成環(huán)機(jī)制展開，主要內(nèi)容有細(xì)胞核內(nèi)參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄時與mRNA前體發(fā)生剪切競爭、細(xì)胞質(zhì)中與mRNA競爭miRNA的靶向結(jié)合位點、包含核糖體進(jìn)入位點翻譯表達(dá)有效蛋白以及依賴于剪切體的索尾插接環(huán)化、順式作用元件促進(jìn)CircRNA形成、RNA結(jié)合蛋白（RBPs）調(diào)控CircRNA形成等，精不精彩？還等什么，快來和小編一起開啟學(xué)習(xí)模式吧~

研究背景

共價閉合、單鏈環(huán)狀的RNA（CircRNA）是一類比較特殊的RNA，CircRNA沒有5′帽子結(jié)構(gòu)和3′poly（A）結(jié)構(gòu)，并且對核酸酶不敏感，因此比普通的線性RNA（linear RNA）更穩(wěn)定。circRNA主要位于細(xì)胞質(zhì)中，并且可以被儲存在外泌體中。早在二十年前，科學(xué)家已經(jīng)在植物類病毒、酵母線粒體RNA以及乙型肝炎病毒中鑒定出CircRNA，隨后在人的Ets-1基因以及小鼠的Sry基因中鑒定到內(nèi)源的CircRNA，但是當(dāng)時只鑒定出一小部分CircRNA，并且被當(dāng)做是沒有調(diào)控潛能的、發(fā)生異常剪切后的副產(chǎn)物。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)由人的INK4a/ARF和CDR1基因環(huán)化而來的CircRNA對人的動脈硬化有影響并且參與調(diào)控mRNA的表達(dá)，為CircRNA研究提供了新的曙光。隨著高通量測序以及生物信息分析的快速發(fā)展，在不同物種的細(xì)胞以及組織中鑒定出成千上萬個circRNA的存在，目前在人中已經(jīng)鑒定出14807個候選的circRNA，說明在人的轉(zhuǎn)錄組中，circRNA是一個比較大的RNA家族。盡管已經(jīng)鑒定出大量的circRNA，但是關(guān)于circRNA的功能以及成環(huán)機(jī)制的研究才剛剛起步。CircRNA的種類按其來源可以歸類為以下四種：

①全外顯子型的circRNA；

②內(nèi)含子和外顯子組合的EICircRNA；

③內(nèi)含子組成的套索型ciRNA；

④由病毒RNA基因組、tRNA、rRNA、snRNA等環(huán)化產(chǎn)生的circRNA。

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的CircRNA的生物學(xué)功能主要有以下四種：

1.細(xì)胞核內(nèi)參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控

有研究報道人細(xì)胞中由ANKRD52，MCM5， SIRT7的內(nèi)含子環(huán)化而來的ciRNAs定位于細(xì)胞核中，而它們的親本基因主要定位在細(xì)胞質(zhì)中。研究發(fā)現(xiàn)敲除ciRNAs會導(dǎo)致它們的親本基因的表達(dá)量顯著下降，并且ciRNAs可以通過正調(diào)控RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄從而順式調(diào)控其宿主基因的表達(dá)。

2.轉(zhuǎn)錄時與mRNA前體發(fā)生剪切競爭

CircRNA來源于mRNA前體，mRNA前體在加工過程中可以進(jìn)行典型的線性剪切產(chǎn)生mRNA，也可以發(fā)生非典型剪切產(chǎn)生CircRNA。研究發(fā)現(xiàn)提高典型線性剪切的效率會導(dǎo)致產(chǎn)生CircRNA的數(shù)目顯著減少，當(dāng)外顯子側(cè)翼的內(nèi)含子長度比較長時，發(fā)生典型線性剪切的效率顯著下降，而發(fā)生環(huán)化的效率顯著提高，說明轉(zhuǎn)錄時CircRNA可以與mRNA前體發(fā)生剪切競爭。

3.細(xì)胞質(zhì)中與mRNA競爭miRNA的靶向結(jié)合位點

除了小部分通過內(nèi)含子環(huán)化產(chǎn)生的ciRNAs位于細(xì)胞核中，大部分的CircRNA主要定位于細(xì)胞質(zhì)中，近年來，有大量的研究發(fā)現(xiàn)定位于細(xì)胞質(zhì)中的CircRNA可以和mRNA競爭miRNA的靶向結(jié)合位點，從而調(diào)控mRNA的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)CircRNA ciRS-7由正義鏈CDR1as產(chǎn)生，ciRS-7含有六十多個保守的miRNA miR-7的靶標(biāo)結(jié)合位點，并且在細(xì)胞質(zhì)中高豐度表達(dá)，在每個細(xì)胞中大概能吸附兩萬多個miR-7，因此可以和mRNA競爭miR-7的靶標(biāo)結(jié)合位點，從而影響基因的表達(dá)（圖1）。CircRNA和miRNA之間的互作是近年來研究的熱點，但是目前只鑒定出少量的CircRNA包含多個miRNA的靶向結(jié)合位點。

圖1 ciRS-7與miR-7互作示意圖

4.包含核糖體進(jìn)入位點，可以翻譯表達(dá)有效蛋白

CircRNA最初被定義為非編碼RNA，隨著生物信息分析技術(shù)以及高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，有研究發(fā)現(xiàn)由ZNF609基因的二號外顯子環(huán)化產(chǎn)生的 circ-ZNF609，其開放閱讀框中包含起始密碼子和終止密碼子，進(jìn)一步的蛋白質(zhì)組學(xué)分析以及Western blot驗證發(fā)現(xiàn)內(nèi)源的circ-ZNF609具有翻譯蛋白質(zhì)的功能，但是翻譯效率比線性RNA低兩個數(shù)量級。另外有學(xué)者在果蠅的大腦組織中通過核糖體印記分析發(fā)現(xiàn)有些CircRNA可以結(jié)合到核糖體上，例如circMbl的終止密碼子處包含核糖體結(jié)合位點，可以翻譯表達(dá)有效蛋白。CircRNA編碼蛋白功能的發(fā)現(xiàn)，為CircRNA的功能研究找到了一個全新的突破口。

圖2 circRNA翻譯表達(dá)有效蛋白示意圖

CircRNA的環(huán)化方式可以分為兩種：內(nèi)含子環(huán)化和外顯子環(huán)化，CircRNA的種類很多，不同類型的CircRNA成環(huán)機(jī)制不同，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的成環(huán)機(jī)制主要有以下三種：

1.依賴于剪切體的索尾插接環(huán)化

真核生物轉(zhuǎn)錄組中，通過外顯子索尾插接環(huán)化形成CircRNA是最早發(fā)現(xiàn)的也是最常見的一種CircRNA成環(huán)方式。研究發(fā)現(xiàn)80%以上CircRNA包含外顯子，外顯子索尾插接環(huán)化依賴于典型的剪切體機(jī)制。在mRNA前體上，通過連續(xù)的組裝小核核糖體蛋白從而催化外顯子下游的5′供體位點連接到上游的3′受體位點，形成索尾插接環(huán)化，然后通過剪切形成CircRNA ，但是剪切體催化索尾插接環(huán)化的具體機(jī)制目前還不清楚(圖3 a)。

2.順式作用元件促進(jìn)CircRNA形成

CircRNA中通常包含2-3個外顯子，最近有研究發(fā)現(xiàn)哺乳動物和秀麗隱桿線蟲中大多數(shù)CircRNA以及黑腹果蠅中部分CircRNA外顯子兩側(cè)的內(nèi)含子中含有反向互補(bǔ)序列，這些互補(bǔ)序列在剪切位點上并排形成RNA雙鏈體，最后通過可變剪切形成帶內(nèi)含子和不帶內(nèi)含子兩種不同的CircRNA（圖3 b）。通常長度在30到40的核苷酸序列就可以促進(jìn)CircRNA的環(huán)化，例如靈長類中的Alu元件。另外有研究發(fā)現(xiàn)外顯子內(nèi)部以及兩側(cè)的內(nèi)含子可以競爭進(jìn)行RNA配對，最終通過可變剪切形成不同類型的CircRNA（圖3 c）。

3.RNA結(jié)合蛋白（RBPs）調(diào)控CircRNA形成

除了mRNA前體以及順式作用元件之外，RNA結(jié)合蛋白（RBPs）也參與調(diào)控CircRNA的生物起源，例如黑腹果蠅中，Mbl蛋白可以通過結(jié)合到外顯子側(cè)翼的內(nèi)含子上，從而促進(jìn)CircRNA的形成（圖3 d）；上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，當(dāng)QKI蛋白的表達(dá)量比較高時，形成mRNA，而高表達(dá)的QKI蛋白可以結(jié)合到外顯子側(cè)翼的內(nèi)含子上，使外顯子并排從而促進(jìn)環(huán)化(圖3 e）；與QKI蛋白的作用效果相反，高表達(dá)量的ADAR1蛋白可以通過破壞外顯子側(cè)翼的RNA配對從而抑制CircRNA的形成(圖3 f）。

圖3CircRNA成環(huán)機(jī)制