circRNA對動物骨骼肌發(fā)育調(diào)控的研究進展

楊海焱，陳 宏

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院 ,陜西 楊凌 712100)

環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA)最早是由Sanger等1976年在研究馬鈴薯紡錘塊莖病中發(fā)現(xiàn)的[1]，隨后分別在1979年真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中、1980年酵母線粒體中、1993年小鼠睪丸決定性別基因中和人體細(xì)胞中、2011年古生物細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了circRNA的蹤跡。但直到2015年研究發(fā)現(xiàn)circRNA具有很多生物學(xué)特性并廣泛存在于動植物細(xì)胞組織中，引起了研究學(xué)者們的廣泛關(guān)注[2]。

circRNA是一類閉合的環(huán)狀RNA分子，無3′端polyA結(jié)構(gòu)及5′端帽狀結(jié)構(gòu)，長度在幾百到幾千個堿基不等，不受RNA外切酶降解，穩(wěn)定且廣泛地存在于生物界，具有進化保守性[3]。circRNA有許多的生物學(xué)效應(yīng)，近年來研究最多的就是circRNA與microRNA(miRNA)結(jié)合的調(diào)控機制。經(jīng)大量研究表明circRNA廣泛參與了生物體增殖分化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等各個方面的調(diào)控。其中，circRNA作為轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子在動物骨骼肌發(fā)育中的作用及其相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始進行廣泛深入研究。

骨骼肌由肌纖維、結(jié)締組織及少量的脂肪組織組成，約占脊椎動物總體重的40%[4]，是肉質(zhì)研究的重要對象。骨骼肌的發(fā)育主要有成肌細(xì)胞的生成，成肌細(xì)胞增殖、分化并融合成肌管，肌管分化成為肌纖維這幾個過程。動物骨骼肌的生長主要包括胎兒期發(fā)生的纖維數(shù)目增加和出生后原有肌纖維橫截面積的變大這兩部分構(gòu)成[5]。

眾多研究表明，以生肌轉(zhuǎn)錄因子PAX7和MyoD等為核心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在肌生成和肌再生過程起著關(guān)鍵作用。在非編碼RNA領(lǐng)域，也已發(fā)現(xiàn)微小RNA(microRNA, miRNA)對肌肉發(fā)育具有重要的調(diào)控作用，且目前絕大多數(shù)研究都集中在miRNA在肌肉發(fā)育中的作用。長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNA)在轉(zhuǎn)錄、表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)肌生成和肌再生的研究越來受到關(guān)注。新興的非編碼環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA)具有調(diào)控基因表達(dá)的功能，與miRNA有相同之處即具有組織表達(dá)特異性。在近幾年的研究中也發(fā)現(xiàn)circRNA在動物骨骼肌發(fā)育中也起著一定的作用，例如circFGFR4促進成肌細(xì)胞分化并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[6]，circFUT10促進肌細(xì)胞分化抑制肌細(xì)胞增殖并會誘導(dǎo)成肌肌細(xì)胞凋亡[7]，circSVIL在骨骼肌后期胚胎發(fā)育中具有高表達(dá)水平，可以促進成肌細(xì)胞的增殖和分化[8]等。骨骼肌發(fā)育的重要組成部分就是骨骼肌細(xì)胞的增殖和分化，而骨骼肌的再生和人肌肉相關(guān)疾病的治療也由很大的聯(lián)系，而肌纖維類型與肌肉品質(zhì)也息息相關(guān)[9-10]，因此通過研究circRNA對骨骼肌細(xì)胞生長發(fā)育的調(diào)控機制，有利于人們對人骨骼肌相關(guān)疾病治療以及畜禽肉品質(zhì)改善進行更加深入的探究。

1 circRNA的來源與作用機制

1.1 circRNA的來源

circRNA的形成受到順式作用元件和反式作用因子的調(diào)控，其選擇性環(huán)化機制分為三類。在基因組中可以轉(zhuǎn)錄出circRNA的位置也可以轉(zhuǎn)錄出mRNA，根據(jù)circRNA的剪接來源不同，又可以分為外顯子反向剪接而形成的外顯子circRNA(exonic circRNA)、內(nèi)含子來源的內(nèi)含子circRNA(intron-circRNA)以及由外顯子和內(nèi)含子參與的外顯子—內(nèi)含子circRNA(exonic intron circRNA)，這些circRNA分子間存在著一定的競爭關(guān)系，會影響mRNA的表達(dá)。circRNA的選擇性環(huán)化機制可能需要一些因子參與調(diào)控，如RBPs等[11]。

1.2 circRNA的作用機制

1.2.1 circRNA海綿化miRNA 研究表明，circRNA的生物學(xué)功能是多樣的，包括miRNA或RBPs的分子海綿、調(diào)控選擇性剪接和翻譯的基因表達(dá)模板，以及有可能的其他未知作用[12]。目前，circRNA作為miRNA的海綿的特性已經(jīng)得到了廣泛研究。miRNA作為非編碼RNA的一員，人們已經(jīng)對其進行了深入研究，研究表明miRNA可以與mRNA的3’UTR區(qū)的靶點結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，也有研究表明miRNA在動物骨骼肌生長發(fā)育過程中也起著一定的作用，而circRNA又可以作為miRNA的海綿。基于這些線索，circRNA可能在動物骨骼肌的生長發(fā)育以及肉品質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用。

1.2.2 circRNA與RNA結(jié)合蛋白質(zhì)相互作用 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)部分的circRNA具有與蛋白質(zhì)結(jié)合的功能，即可以通過特定靶點與蛋白質(zhì)結(jié)合從而影響蛋白質(zhì)的功能。例如細(xì)胞分裂蛋白激酶2(CDK2)可以促進細(xì)胞分裂，屬于細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶，而circFoxo3可以與激酶抑制劑蛋白(p21)和CDK2結(jié)合，形成circFoxo3-p21-CDK2，抑制CDK2的功能，阻斷細(xì)胞周期進展。

1.2.3 circRNA調(diào)控基因表達(dá) circRNA可以通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，如對來源于錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域52(ANKRD52)基因第2個內(nèi)含子產(chǎn)生的circ-ankrd52(錨蛋白重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì))研究發(fā)現(xiàn)，通過反義寡核苷酸封閉circ-ankrd52的表達(dá)，會導(dǎo)致ankrd52 mRNA的表達(dá)量顯著降低[13]。除此之外，含內(nèi)含子序列的circRNA通常位于細(xì)胞核內(nèi)，發(fā)揮基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。上述的circ-ankrd52主要存在于細(xì)胞核內(nèi)，可促進RNAPolⅡ?qū)NKRD52的轉(zhuǎn)錄[14]。

1.2.4 circRNA具有翻譯蛋白質(zhì)的功能 真核細(xì)胞蛋白質(zhì)合成的起始復(fù)合體的組裝需要識別mRNA的5’端帽子，因此真核生物蛋白質(zhì)的合成主要是通過5’帽依賴性翻譯途徑。但也有例外，比如在應(yīng)激條件下，細(xì)胞可以依賴于內(nèi)部核糖體進入位點(IRES)等調(diào)控元件啟動非帽依賴性蛋白質(zhì)翻譯[15]。由于所研究的circRNA不具有5’帽子和3’尾巴，因此曾被認(rèn)為其不能合成蛋白質(zhì)，但近幾年經(jīng)研究學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)部分circRNA可以通過非帽依賴性翻譯機制來編碼蛋白質(zhì)。目前，一共發(fā)現(xiàn)了四種circRNA編碼蛋白質(zhì)的方式。

2 circRNA對骨骼肌細(xì)胞增殖分化及凋亡的研究

2.1 circRNA對骨骼肌細(xì)胞增殖的調(diào)控

根據(jù)預(yù)測結(jié)果推測，與肌肉相關(guān)的30種上調(diào)的circRNA可能是ceRNA網(wǎng)絡(luò)中的一部分，涉及了91個miRNA和核心肌源性因子，例如肌生成素，肌細(xì)胞增強因子2a，肌球蛋白重鏈(Myh1，Myh7和Myh7b)[16]。研究表明，在骨骼肌發(fā)育的過程中，有些circRNA具有促進動物骨骼肌增殖的作用。如circLMO7的過表達(dá)抑制了原代牛成肌細(xì)胞的分化，并且似乎充當(dāng)了miR-378a-3p的競爭內(nèi)源RNA，后者參與了牛的肌肉發(fā)育。此外，它促進成肌細(xì)胞的增殖并保護它們免于凋亡[17]。circHUWE1通過海綿化miR-29b(靶向AKT3)間接激活A(yù)KT信號通路，促進成肌細(xì)胞增殖，減少細(xì)胞凋亡和分化[18]。此外，研究circSVIL發(fā)現(xiàn)其可以充當(dāng)miR-203的海綿來拮抗其功能，促進成肌細(xì)胞的增殖和分化[8]。circRNA可以通過直接或間接的方式來調(diào)控肌肉發(fā)育相關(guān)的基因，且加深了circRNA對骨骼肌細(xì)胞增殖的調(diào)控作用及機制的理解。

2.2 circRNA對骨骼肌細(xì)胞分化的調(diào)控

通過circRNA調(diào)控基因表達(dá)是調(diào)控動物骨骼肌分化的組成部分，如circFGFR4促進成肌細(xì)胞分化并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，circFGFR4的過表達(dá)增加了Wnt3a的表達(dá)，而miR-107取消了這種作用。這些結(jié)果表明，circFGFR4結(jié)合miR-107促進細(xì)胞分化[6]。circFUT10誘導(dǎo)牛原代成肌細(xì)胞分化，增加了細(xì)胞周期G0/G1期成肌細(xì)胞的數(shù)量，并降低了S期細(xì)胞的比例并通過直接結(jié)合miR-133a和抑制miR-133a活性來調(diào)節(jié)成肌細(xì)胞的分化和細(xì)胞存活[7]。circCDR1as通過與miR-7競爭性結(jié)合，使得miR-7導(dǎo)致的IGFR(胰島素樣生長因子1受體)下調(diào)，從而激活肌肉分化[19]。

3 展望

circRNA是多種生物學(xué)通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在骨骼肌細(xì)胞增殖、分化及凋亡等方面發(fā)揮著重要作用。目前circRNA的應(yīng)用主要集中在對各種腫瘤細(xì)胞的影響以及作為腫瘤細(xì)胞的分子標(biāo)記物的應(yīng)用。在動物骨骼肌方面也有了廣泛研究，但還不夠深入，將circRNA作為分子遺傳標(biāo)記應(yīng)用在動物育種以及提高肉品品質(zhì)是我們接下來要研究的一大課題。此外，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)circRNA可以編碼蛋白質(zhì)，而circRNA所編碼的蛋白質(zhì)的在動物骨骼肌發(fā)育方面的功能目前尚不清楚，為研究骨骼肌發(fā)育提供了新思路。