環(huán)狀RNA與脂代謝

朱伊祎 林細(xì)華 李紅

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院內(nèi)分泌科，杭州 310016

脂肪組織的主要功能是存儲(chǔ)和釋放脂肪酸，根據(jù)人體能量需求將其整合入脂肪細(xì)胞的甘油三酯中。人體脂肪量取決于甘油三酯在脂肪細(xì)胞中的儲(chǔ)存與去路之間的平衡[1-2]。機(jī)體通過脂解以及非脂肪組織中的脂肪酸氧化和(或)異位沉積來調(diào)控此平衡[2]。肥胖者脂肪組織去除甘油三酯的速率降低并且存儲(chǔ)量增加，脂肪細(xì)胞脂質(zhì)堆積從而促進(jìn)了脂肪組織的炎性反應(yīng)。慢性低滴度的全身炎性反應(yīng)激活免疫系統(tǒng)，從而導(dǎo)致臟器(脂肪組織、肝臟、肌肉、胰腺等器官)中免疫細(xì)胞浸潤(rùn)，產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，不僅影響體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，還影響胰島素抵抗以及脂質(zhì)、血壓、凝血、纖溶和炎性反應(yīng)的改變，從而導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙和動(dòng)脈粥樣硬化[3]。因此，研究脂代謝在代謝相關(guān)疾病中的作用具有重要意義。

環(huán)狀RNA作為機(jī)體細(xì)胞內(nèi)重要的調(diào)控因子，近年來受到越來越多的重視，其在調(diào)控宿主基因、miRNA海綿、RNA結(jié)合蛋白海綿和疾病發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮巨大的作用[4]。因此，認(rèn)清和掌握環(huán)狀RNA與脂代謝之間的相互關(guān)系對(duì)脂代謝相關(guān)疾病的診斷和治療有一定的價(jià)值。

1 環(huán)狀RNA概述

1.1 環(huán)狀RNA的基本結(jié)構(gòu) 環(huán)狀RNA是共價(jià)閉合的單鏈轉(zhuǎn)錄物，最早于20世紀(jì)70年代后期在電鏡下被觀察到。通常，真核生物細(xì)胞中的環(huán)狀RNA來自前mRNA的剪接事件，并帶有剪接體介導(dǎo)的環(huán)化作用[5]。不同于以5′帽和3′尾部終止的線性RNA，環(huán)狀RNA由反向剪接將下游外顯子的5′剪接位點(diǎn)(剪接供體)與上游外顯子的3′剪接位點(diǎn)(剪接受體)共價(jià)鍵相連形成，可以避免RNase R引起的核酸外切降解[6]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，環(huán)狀RNA可以分為4種不同類型，包括僅由外顯子組成的ecircRNA，僅由內(nèi)含子組成的ciRNA，外顯子和內(nèi)含子共同組成的EIciRNA，以及一類特殊在tRNA前剪接過程產(chǎn)生的tricRNA[6]。目前發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNA有3種不同的環(huán)化模型：內(nèi)含子配對(duì)、套索蛋白驅(qū)動(dòng)的環(huán)化和RNA結(jié)合蛋白驅(qū)動(dòng)的環(huán)化。由于高通量RNA測(cè)序技術(shù)和新型計(jì)算方法的發(fā)展，已在各種細(xì)胞系和不同物種中成功鑒定出大量環(huán)狀RNA[7]。盡管它們通常以低水平表達(dá)，但越來越多的證據(jù)表明環(huán)狀RNA與疾病的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)。目前環(huán)狀RNA并沒有統(tǒng)一的命名，一般使用基因組位置作為名字，或者用circ作為前綴而宿主基因名稱作為后綴，或者研究者自愿設(shè)計(jì)。

1.2 環(huán)狀RNA的特性與功能 環(huán)狀RNA已被證實(shí)具有多種生物學(xué)特性：包括環(huán)狀RNA在真核細(xì)胞中富集，在人源細(xì)胞中已鑒定出超過100 000種不同的環(huán)狀RNA[8]；具有一定的序列保守性[9]；比線性轉(zhuǎn)錄本更穩(wěn)定，在血清外泌體中其有潛力成為新型生物標(biāo)志物[10]；在許多人類細(xì)胞和組織中普遍存在，具有細(xì)胞和組織類型的特異性表達(dá)[11]。研究表明，環(huán)狀RNA主要是通過與RNA相互作用、與蛋白質(zhì)相互作用、調(diào)控親本基因的轉(zhuǎn)錄與剪切、翻譯蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)功能[4]。環(huán)狀RNA不僅與單個(gè)微小RNA(miRNA)相互作用，而且還可以與多個(gè)miRNA相互結(jié)合。環(huán)狀RNA可通過直接結(jié)合并充當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)元件來調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白的功能或充當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的支架調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)。盡管大部分環(huán)狀RNA主要位于細(xì)胞質(zhì)中，但是EIciRNA主要位于細(xì)胞核中，并在轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)富集，通過與U1小核糖核蛋白(snRNP)與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合，從而促進(jìn)其宿主基因的轉(zhuǎn)錄。由于環(huán)狀RNA和mRNA一樣來自于pre-mRNA(前mRNA)，因此環(huán)狀RNA的產(chǎn)生會(huì)中斷mRNA的剪切調(diào)控[5]。除此之外，具有內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)(IRES)的環(huán)狀RNA可以在體外和體內(nèi)有效翻譯，表明環(huán)狀RNA具有潛在的參與翻譯的能力。環(huán)狀RNA的這些重要生物學(xué)特性及其作用機(jī)制給臨床疾病的診斷和治療開辟了新思路。

2 環(huán)狀RNA與脂代謝

2.1 環(huán)狀RNA與脂肪細(xì)胞 外泌體是脂肪細(xì)胞與其他細(xì)胞之間長(zhǎng)距離信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要載體，可調(diào)節(jié)遠(yuǎn)處組織中的基因表達(dá)。外泌體是一種微囊泡，包括脂肪細(xì)胞在內(nèi)的大多數(shù)細(xì)胞類型都可分泌。其內(nèi)含有各種蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、環(huán)狀RNA和miRNA等成分[12]。有研究探討了脂肪組織來源的外泌體中環(huán)狀RNA對(duì)肝癌細(xì)胞以及皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞的作用。發(fā)現(xiàn)脂肪分泌的circDB通過抑制miRNA-34a和激活泛素化蛋白7/細(xì)胞周期D蛋白7(USP7/Cyclin A2)信號(hào)通路，促進(jìn)肝細(xì)胞癌生長(zhǎng)[13]。脂肪細(xì)胞來源的外泌體中的circ_0075932通過直接與RNA結(jié)合蛋白PUM2結(jié)合，促進(jìn)其介導(dǎo)的有絲分裂激酶AuroraA/核因子κB活化，誘導(dǎo)人皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞的炎性反應(yīng)和細(xì)胞凋亡[14]。這些研究證明，脂肪細(xì)胞分泌的外泌體中的環(huán)狀RNA具有參與遠(yuǎn)距離調(diào)控其他組織細(xì)胞的能力。

2.2 環(huán)狀RNA與脂代謝相關(guān)疾病

2.2.1 環(huán)狀RNA與肥胖 肥胖是一種慢性代謝性疾病，其特征是脂肪分布異?；蛘咧|(zhì)過多積累。脂肪細(xì)胞肥大引起的促炎性脂肪因子分泌，可導(dǎo)致促炎性免疫細(xì)胞進(jìn)入脂肪組織引起慢性低度炎性反應(yīng)，導(dǎo)致肥胖個(gè)體出現(xiàn)代謝功能障礙[15]。

對(duì)豬皮下脂肪沉積的研究顯示，在不同的脂代謝階段中數(shù)百個(gè)環(huán)狀RNA不同程度被激活，并發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)作用[16]。目前研究表明，環(huán)狀RNA既可通過調(diào)控miRNA從而激活脂代謝通路，也可結(jié)合RNA結(jié)合蛋白，調(diào)節(jié)生物體內(nèi)脂質(zhì)沉積與炎性反應(yīng)。在分析大白豬和萊蕪豬皮下脂肪組織中環(huán)狀RNA的表達(dá)時(shí)，circRNA_26852顯著上調(diào)，而circRNA_11897顯著下調(diào)[17]。其中，circRNA_26852以及circRNA_11897可分別通過調(diào)控miRNA-486以及miRNA-27a，影響下游過氧化物酶體增殖物活化受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。兩者可參與脂代謝并與肥胖的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。分析代謝綜合征患者的血清發(fā)現(xiàn)，circRNA H19表達(dá)水平降低。circRNA H19可通過結(jié)合聚嘧啶束結(jié)合蛋白1，調(diào)控固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白水平，影響脂肪干細(xì)胞的成脂分化以及脂代謝[18]。此外，在預(yù)防肥胖方面，環(huán)狀RNA也發(fā)揮重要作用。既往研究表明，circARF3通過吸附miRNA-103靶向腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3，減輕線粒體介導(dǎo)的炎性反應(yīng)，從而預(yù)防脂肪炎性反應(yīng)以及改善肥胖[19]。丹酚酸B可通過調(diào)節(jié)脂代謝和炎性反應(yīng)相關(guān)信號(hào)通路中的環(huán)狀RNA表達(dá)，發(fā)揮抗肥胖作用[20]。

2.2.2 環(huán)狀RNA與2型糖尿病 長(zhǎng)期升高的血漿游離脂肪酸水平可導(dǎo)致非脂肪組織(包括骨骼肌、肝臟等)中脂質(zhì)蓄積，脂肪酸氧化增加，細(xì)胞內(nèi)葡萄糖蓄積，葡萄糖攝取降低，最終影響骨骼肌以及肝臟的胰島素抵抗，甚至發(fā)展為2型糖尿病[21]。因此，脂代謝紊亂與2型糖尿病發(fā)病機(jī)制之間有密切的聯(lián)系。近年來研究表明，ciRS-7、circHIPK3等可結(jié)合并調(diào)控miRNA的水平，影響胰島β細(xì)胞質(zhì)量以及胰島素分泌。肥胖小鼠miRNA-7的失活可通過增強(qiáng)β細(xì)胞成熟度和分泌功能來挽救β細(xì)胞衰竭。作為miRNA的海綿，胰島細(xì)胞中circRNA CiRS-7的高表達(dá)可吸附miRNA-7，降低miRNA-7的含量，從而增加胰島素的表達(dá)、分泌和含量[22]。另外，作為胰島中最豐富的circRNA之一，circHIPK3通過靶向吸附miRNA-124-3p和miRNA-338-3p，調(diào)節(jié)β細(xì)胞關(guān)鍵基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)葡萄糖刺激的胰島素分泌、生物合成以及胰島細(xì)胞的增殖和凋亡[23]。

由于環(huán)狀RNA的高度生物學(xué)穩(wěn)定性，較低的檢測(cè)成本，較高的特異性和敏感性，因此可成為診斷糖尿病的一種新型潛在生物學(xué)標(biāo)志物。在血清學(xué)中，外周血hsa_circ0054633可用作糖尿病前期和2型糖尿病的生物診斷標(biāo)志物，其表達(dá)水平隨著糖尿病的進(jìn)展顯著升高[24]。此外，外周血hsa_circANKRD36可用作篩選2型糖尿病患者慢性炎性反應(yīng)的生物標(biāo)志物，在2型糖尿病中顯著升高，與血糖和糖化血紅蛋白水平呈正相關(guān)[25]。相反，外周血has_circRNA11783-2在冠狀動(dòng)脈疾病以及2型糖尿病中表達(dá)顯著下調(diào)[26]。

2.2.3 環(huán)狀RNA與動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化是由于脂代謝和炎性反應(yīng)異常而導(dǎo)致的血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖伴隨膠原纖維的生成和脂質(zhì)的積累。目前，越來越多的證據(jù)表明，環(huán)狀RNA的異常表達(dá)影響動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的脂代謝。在促動(dòng)脈粥樣硬化性脂質(zhì)溶血磷脂酰膽堿刺激下，血管內(nèi)皮細(xì)胞中有77個(gè)環(huán)狀RNA水平顯著升高，與膽固醇合成SREBP2途徑相關(guān)[27]。在氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞中，circ_0003575的表達(dá)明顯上調(diào)，敲低circ_0003575可促進(jìn)細(xì)胞增殖和血管生成能力[28]。相反，上調(diào)circANRIL的表達(dá)可以預(yù)防冠狀動(dòng)脈粥樣硬化，下調(diào)circANRIL的表達(dá)增加動(dòng)脈粥樣硬化指數(shù)[29]。機(jī)制上，環(huán)狀RNA可以通過充當(dāng)miRNA海綿或直接調(diào)控下游蛋白來發(fā)揮作用。Circ_0003575可充當(dāng)miRNA-148a-3p的海綿，因此敲低circ_0003575后，miRNA-148a-3p水平增加，抑制了叉頭轉(zhuǎn)錄因子FoxO4和FoxO3在血管內(nèi)皮細(xì)胞中的表達(dá)[30]。由于FoxO蛋白在脂代謝過程中起重要作用，其表達(dá)缺失使內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移功能受損，最終加劇了動(dòng)脈粥樣硬化。此外，由于缺乏miRNA海綿活性，circANRIL通過結(jié)合PES1蛋白，誘導(dǎo)核仁應(yīng)激和p53激活，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和抑制細(xì)胞增殖，從而保護(hù)冠狀動(dòng)脈以及避免粥樣硬化的發(fā)生[31]。

多種環(huán)狀RNA在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化中表達(dá)顯著升高，可成為輔助診斷的新型標(biāo)志物。有研究顯示，血清中circ_0001879[32]、circ_0004104[32]、circ_0124644[33]以及circRNA-284[34]在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性疾病中顯著升高。其中，circ_0004104可通過調(diào)節(jié)動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)基因的表達(dá)來促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展?；虮倔w數(shù)據(jù)庫(GO)富集分析顯示，circ_0124644可能通過細(xì)胞凋亡、Robo受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及與細(xì)胞間黏附因子相互作用等途徑發(fā)揮作用。CircRNA-284可能充當(dāng)“海綿”以調(diào)節(jié)miRNA-221的活性，循環(huán)中circRNA-284：miRNA-221的比值可作為頸動(dòng)脈斑塊破裂易感性的生物學(xué)標(biāo)志。

2.2.4 環(huán)狀RNA與非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) NAFLD是指以肝臟中脂肪浸潤(rùn)為特征的脂代謝相關(guān)疾病。目前研究表明，環(huán)狀RNA的表達(dá)降低與肝臟脂代謝紊亂密切相關(guān)。在脂肪變性的肝細(xì)胞內(nèi)，circRNA_0046367與circRNA_0046366的表達(dá)顯著降低[35-36]。兩者共同通過circRNA/miRNA-34a/PPARα調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)脂代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活，減輕脂肪變性。另外，生物信息學(xué)分析提示肝細(xì)胞在高脂刺激后circRNA_021412表達(dá)明顯下調(diào)[37]。CircRNA_021412/miR-1972/LPIN信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的異常破壞了脂肪生成與催化反應(yīng)的平衡，從而導(dǎo)致肝脂肪變性。同樣，circScd1在NAFLD中的表達(dá)也顯著降低[38]。CircScd1的表達(dá)下調(diào)通過損害Janus激酶2/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子5的信號(hào)通路，促進(jìn)NAFLD的脂肪變性。在治療方面，中藥方劑強(qiáng)肝方以及二甲雙胍可通過調(diào)節(jié)長(zhǎng)鏈非編碼RNA以及環(huán)狀RNA，改善NAFLD的發(fā)生[39-40]。

綜上所述，由于環(huán)狀RNA獨(dú)特的生物特性與作用機(jī)制，環(huán)狀RNA在脂代謝相關(guān)疾病(肥胖、2型糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化以及NAFLD)的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用，預(yù)示著環(huán)狀RNA可能成為疾病的生物學(xué)標(biāo)志物以及治療靶點(diǎn)。目前關(guān)于環(huán)狀RNA在脂肪細(xì)胞脂代謝中的作用還需要進(jìn)一步探索和研究，其相關(guān)機(jī)制仍缺乏明確的理論依據(jù)，特別是關(guān)于脂肪細(xì)胞本身的發(fā)育、分化以及功能的實(shí)現(xiàn)，包括脂質(zhì)沉積、能量代謝與胰島素抵抗。隨著環(huán)狀RNA參與脂質(zhì)調(diào)控研究的深入，其有望成為診斷以及治療脂代謝相關(guān)疾病的靶目標(biāo)之一。