引言

环状RNA(circRNA)作为真核细胞中存在的内源性非编码RNA，具有广泛的表达水平。circRNA具有共价闭环结构，没有5’−3’，极性或多腺苷化的尾巴，比线性RNA更稳定。大多数circRNA，包括外显子circRNA，存在于细胞质中，而保留内含子的circRNA位于细胞核内。circRNA在物种间高度保守，具有microRNA反应元件(MRE)，使它们能够与miRNAs相互作用并调节基因表达。circRNA可以在转录和转录后调节中发挥作用。然而，关于circRNA在心血管和代谢性疾病相关的血管炎症中的作用知之甚少。而鉴于以上circRNA在不同疾病中的重要作用，circRNA的新疗法的开发可能有助于减轻与心血管和代谢性疾病相关的血管炎症。

 

2022年4月，美国心血管研究中心杨晓峰教授在Pharmacol Ther上发表了题为Circular RNAs are a novel type of non-coding RNAs in ROS regulation, cardiovascular metabolic inflammations and cancers的综述。

 

 

一、核糖核酸介绍

细胞核糖核酸(RNA)可分为两类：编码和非编码RNA。非编码RNA(ncRNAs)是从DNA转录而来的功能性RNA，但不能翻译成蛋白质。这些ncRNAs根据其大小可分为两类，大于200个核苷酸的ncRNAs被归类为长非编码RNA(Long Non-Coding RNAs，LncRNAs)，小于200个核苷酸的ncRNAs被归类为小ncRNAs。小的ncRNAs还可以进一步分为：

microRNAs(miRNAs)

小干扰RNAs(siRNAs)

小核RNAs(snRNAs)

小核仁RNAs(snoRNAs)

piwi相互作用RNAs(piRNAs)

转移RNAs(tRNAs)

核糖体RNAs(rRNAs)

图1 核糖核酸的分类

 

二、circRNA生物发生

circRNA生物发生为传统的mRNAs生成增加了一个修饰步骤。前体信使核糖核酸(pre-mRNA)的剪接是由典型的剪接体机制催化的，以去除转录本中的内含子并连接外显子，从而形成具有5’−3’极性的线性信使核糖核酸。外显子circRNAs通常位于细胞质中，但内含子和外显子circRNAs留在细胞核中。

图2 circRNA的生成机制

 

circRNA形成模型

到目前为止，已经提出了四种不同的circRNA生物发生的假设模型包括：(I)内含子配对驱动的环化；(Ii)RNA结合蛋白(RBP)驱动的环化；(Iii)外显子跳过；以及(Iv)内含子套索环化。

图3 circRNA的形成模型

 

三、circRNA的分类

在circRNA中主要分为三个主要亚类。

(A)外显子circRNAs（ecircRNAs）

只包含外显子(s)（通常小于5个），是circRNA类中最重要的一类。ecircRNA具有细胞质位置，可能调节microRNA和蛋白的功能。

(B)外显子-内含子circRNAs（EIciRNAs）

由外显子和保留的内含子组成。EIciRNAs具有核定位，并已被发现能够顺式调控基因转录，也可能是反式调控基因转录。

(C)内含子circRNAs（ciRNAs）

来源于内含子套索，积累在细胞核中，以顺式调控基因转录。

图4 circRNA的分类

 

四、circRNA的生物学功能和机制

近些年来，circRNA的生物学功能已成为科学研究的热点。越来越多的证据表明，除了作为miRNA海绵外，circRNA的其他几个角色也被提出——蛋白海绵、诱饵、支架和招募者。除此之外，通过加强与RNA聚合酶II的结合，位于细胞核的circRNA可以调节其宿主基因的转录，并调节选择性剪接、转录和翻译。

1、circRNA可以作为miRNA海绵

●大多数circRNA位于细胞质中，表明它们参与了转录后调控——作为miRNA海绵或竞争性内源RNA(ceRNAs)，与miRNAs竞争结合mRNA靶标，从而间接调节mRNA翻译。miRNAs与mRNAs的3′-非翻译区结合可导致mRNA降解或抑制蛋白质翻译。

2、circRNA可作为RNA结合蛋白(RBP)海绵

●circRNA可以作为蛋白质海绵，为特异性RBP提供结合位点，通过竞争性抑制来隔离和抑制蛋白质的生物活性。这一过程可能会间接影响其靶标mRNAs的命运。在最近的一项研究中，TTP海绵circRNA被发现在小鼠模型中增强全身炎症。CircFoxo3可以与蛋白质相互作用，抑制细胞周期进程，调节心脏衰老。

3、circRNA可以调节翻译和选择性剪接

●circRNA可以结合开放阅读框架(ORF)被翻译成蛋白质片段，这需要IRES的介导作用亦或是m6A的修饰。circRNA能够翻译的原因也可能是细胞对环境应激源的反应，刺激circRNA翻译蛋白。此外，一些circRNA可以调节其相关线性mRNAs的翻译。

4、circRNA作为基因表达调控因子

●circRNA和线性RNA在生物合成上相互竞争，circRNA可以调节线性RNA的表达。某些circRNA，如ciRNAs和EIciRNAs，通过与基因启动子区域的U1 Snrpn和RNA聚合酶II结合，促进亲本基因的转录。

5、circRNA的降解和消除

●circRNA具有高度的稳定性，半衰期长；因为它们的环状结构，使得它们可抵抗RNase核酸外切酶。目前，对于circRNA如何在体内降解的机制知之甚少。已有研究报道，RNase L可降解circRNA。亦有研究表明RNA修饰、N6甲基腺苷(m6A)以及聚(I：C)刺激可介导内切核酸酶RNase L的激活，并最终导致mRNAs和circRNA的降解。

图5 circRNA功能和降解的示意

 

五、研究circRNA的方法

自从circRNA被发现以来，已经开发了各种生化工具来检测和验证它们的存在、定位、生物发生、生物学功能、疾病含义、相互作用的分子和治疗潜力。还开发了生物信息学工具和统计方法来量化circRNA的表达水平，并高置信度地识别新的circRNA。高通量circRNA测序(CIRC-SEQ)分析、微阵列高通量分析、逆转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)、数字液滴聚合酶链式反应(DdPCR)、Northern印迹分析和RNA荧光原位杂交(RNA-FISH)结合高分辨率显微镜是用于研究circRNA的一些技术。还开发了几个在线circRNA资源和公共数据库，以提供有关circRNA的关键生物信息学知识。目前正在研究circRNA对各种疾病的潜在治疗用途，并正在开发用于circRNA操作的分子工具。为了研究circRNA，已经发展了circRNA过表达(功能放大)和敲低(功能丧失)方法，例如使用包含circRNA序列并由病毒载体系统递送的表达载体、非病毒策略、小干扰RNA(siRNA)和小发夹状RNA(shRNA)。

 

六、外泌体circRNA

circRNA高度稳定，不易降解，如果不加以控制，它们可以在细胞内积累。外泌体是大多数细胞类型分泌的膜结合囊泡，circRNA可以被包含其中，在细胞间发挥通讯和信号转导作用。2015年，Li等人首次报道了外泌体中含有丰富的circRNA。这些circRNA在RNase R处理后仍然在血清中稳定存在。另有研究表示，许多外泌体circRNA可以被释放到细胞外并在血液中检测到，被用作癌症的潜在生物标志物。

图6 exo-circRNA的产生

 

七、circRNA作为潜在的诊断生物标志物
生物标记物在疾病的早期检测中是有用的，而circRNA由于其丰富性、稳定性、组织特异性表达和存在于外泌体中而有望成为疾病生物标记物。

一些circRNA如hSA_CIRC_002059和hSA_CIRC_104916在胃癌组织中表达下调，可作为潜在的诊断生物标志物。

 

八、circRNA对血管炎症的调节作用
内皮功能障碍和血管炎症与多种病理过程有关，如炎症、缺血性心血管疾病以及代谢紊乱。内皮细胞是一种条件性先天免疫细胞，具有危险/病原体相关分子模式的受体，使它们能够感知各种潮湿和条件性潮湿。靶向血管内皮细胞功能障碍和炎症在预防和治疗血管并发症方面具有巨大的治疗潜力。一些证据表明，circRNA在不同的心血管疾病中都有表达，通常与内皮功能障碍、血管平滑肌细胞增殖和迁移以及血管炎症有关。circRNA通过miRNA海绵作用参与心血管疾病，从而调节其靶基因以维持内环境平衡。其中一些circRNA(促炎性circRNA)促进内皮功能障碍、血管炎症和心血管疾病，而另一些circRNA则有抑制作用。

图7 已报道的促血管炎症和心血管疾病circRNA的总结

 

“结论

circRNA是RNA研究的一个新的重要领域。它们是一种多样性、稳定性和保守型的RNA，具有调节作用，但其确切的功能和机制尚不完全清楚。circRNA已被证明作为miRNA和RBP海绵，调节转录和基因表达，并具有潜在的治疗用途。最近的circRNA数据库提供了关于组织特异性表达谱和调控网络的信息。这些见解表明，调节特定组织和细胞中circRNA的表达可能有助于减少与心血管和代谢性疾病相关的内皮功能障碍和炎症。

 

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