環(huán)狀RNA與2型糖尿病關(guān)系及其臨床應(yīng)用

穆金銘，劉 悅，張方方，金 亮

（中國藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210009）

糖尿病是以高血糖和大分子代謝缺陷為特點(diǎn)的代謝紊亂綜合征。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會(huì)（International Diabetes Federation，IDF）的 報(bào) 告，2019 年全球有4.63 億人患有糖尿病，預(yù)計(jì)到2040年這一數(shù)字將上升到6.45億。在全部糖尿病患者中，2 型糖尿病（type 2 diabetes ，T2D）患者約占90%［1］。T2D的病因包括胰島β細(xì)胞功能障礙導(dǎo)致的胰島素分泌缺陷及外周組織器官（心臟、肝臟、脂肪等）對胰島素不敏感產(chǎn)生的胰島素抵抗［2］。T2D 發(fā)病率及病死率的不斷增加與環(huán)境、遺傳、現(xiàn)代生活方式改變及其多種并發(fā)癥（包括腎病、心血管病變、視網(wǎng)膜病變等）等因素相關(guān)［3］。

環(huán)狀RNA（circular RNA）是一類新發(fā)現(xiàn)的具有共價(jià)閉合環(huán)的非編碼RNA，與線性RNA不同，其免受RNA 外切酶的攻擊［4］。環(huán)狀RNA 具有較強(qiáng)的保守性，且其表達(dá)具有組織特異性。環(huán)狀RNA 可以通過以下6 種機(jī)制發(fā)揮作用：（1）作為microRNA的分子海綿或誘餌，保護(hù)microRNA 的靶基因免受其降解；（2）充當(dāng)某些RNA 結(jié)合蛋白的海綿或誘餌，間接調(diào)節(jié)蛋白的功能；（3）與某些蛋白質(zhì)相互作用并增強(qiáng)其功能；（4）作為蛋白支架，促進(jìn)酶及其底物的共域化，從而影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；（5）招募蛋白到特定的位點(diǎn)或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)；（6）作為翻譯的模板產(chǎn)生獨(dú)特的環(huán)狀RNA多肽［5］。

目前已有報(bào)道表明環(huán)狀RNA 在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色［6］。本文綜述了近年來環(huán)狀RNA與2型糖尿病關(guān)系及其應(yīng)用的研究進(jìn)展。

1 環(huán)狀RNA 參與調(diào)控2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展

環(huán)狀RNA 可以通過調(diào)控胰島β 細(xì)胞功能直接參與糖尿病的發(fā)生發(fā)展，同時(shí)也可以通過調(diào)控心臟、腎臟等器官的代謝活動(dòng)參與糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。

1.1 環(huán)狀RNA 調(diào)控胰島β 細(xì)胞功能直接參與糖尿病的發(fā)生發(fā)展

全基因組關(guān)聯(lián)分析研究結(jié)果顯示，2 型糖尿病的大部分危險(xiǎn)基因與胰島功能相關(guān)［7］。環(huán)狀RNA廣泛表達(dá)于人類胰島β 細(xì)胞中并能夠調(diào)控胰島β細(xì)胞活性［8］。Stoll 等［9］采用微陣列分析法在人的胰島樣本中檢測到3 441個(gè)環(huán)狀RNA 轉(zhuǎn)錄本，其中有497個(gè)轉(zhuǎn)錄本在小鼠胰島中有精確的同源表達(dá)。目前報(bào)道能夠直接調(diào)控胰島β 細(xì)胞功能的環(huán)狀RNA主要有circHIPK3和ciRS-7。

Stoll 等［9］研究結(jié)果顯示，與對照組相比，db/db小鼠胰島β 細(xì)胞中circHIPK3 表達(dá)顯著下調(diào)，circHIPK3的表達(dá)下調(diào)能夠抑制胰島β細(xì)胞在葡萄糖刺激下的胰島素合成與分泌，同時(shí)能夠促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡。在db/db小鼠胰島β細(xì)胞中下調(diào)的circHIPK3損害胰島β細(xì)胞功能的作用機(jī)制主要是通過作為miR-124-3p、miR-338-3p、miR-29b-3p、和miR-30 的分子海綿從而抑制下游與胰島功能直接相關(guān)的靶基因的表達(dá)，這些靶基因包括AKT（編碼蛋白激酶B，protein kinase B，PKB）、MTPN（編碼肌營養(yǎng)素，myotrophin）、SLC2A2（編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2，glucose transporter 2，GLUT2）、MCL1（編碼髓細(xì)胞白血病因子1，myeloid cell leukemia-1）等。PKB 在磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）信號通路中扮演著重要角色，能夠促進(jìn)胰島β 細(xì)胞增殖［10］；MTPN 能夠促進(jìn)胰島素的分泌；GLUT2 作為葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在β 細(xì)胞葡萄糖攝取中扮演著重要角色，與對照相比缺乏GLUT2的純合子小鼠體內(nèi)糖耐量異常；MCL1 是一種抗凋亡蛋白，屬于B 細(xì)胞淋巴瘤蛋白2（B-cell lymphoma-2，Bcl2）家族，其能夠抑制細(xì)胞凋亡且在胰島β 細(xì)胞存活中起著關(guān)鍵作用（圖1）。下 調(diào) 的circ-HIPK3 可 作 為miR-124-3p、miR-30、miR-338-3p、miR-29b-3p 的分子海綿,使它們的表達(dá)水平上調(diào)并使它們靶基因MTPN、SLC2A2、AKT、MCL1的表達(dá)水平下調(diào)。MTPN基因編碼肌營養(yǎng)素,SLC2A2基因編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2,兩蛋白均能促進(jìn)胰島素的分泌,因此兩者表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致胰島素分泌能力下降;AKT基因編碼蛋白激酶B,MCL1基因編碼髓細(xì)胞白血病因子1,兩蛋白均能抑制β細(xì)胞凋亡,因此兩者表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致β 細(xì)胞凋亡增加(黑色↑代表增加;黑色↓代表減少)

圖1 circ-HIPK3調(diào)控胰島β細(xì)胞功能作用機(jī)制示意圖

Hansen 等［11］研究結(jié)果表明ciRS-7 可以作為miR-7 的分子海綿。Latreille 等［12］研究結(jié)果表明miR-7 是人和小鼠胰島中表達(dá)含量最豐富的microRNA，其能夠抑制胰島素顆粒的胞吐作用。Xu等［13］研究結(jié)果表明與對照組相比在胰島β 細(xì)胞中過表達(dá)ciRS-7 能夠促進(jìn)胰島β 細(xì)胞胰島素合成和分泌，其機(jī)制是通過抑制miR-7的表達(dá)從而上調(diào)miR-7靶基因MYRIP（編碼肌球蛋白VIIA 和Rab 相互作用蛋白，myosin VIIA and Rab interacting protein）及PAX6（編碼同源盒蛋白6，paired box 6）的蛋白表達(dá)。MYRIP 可以與肌凝蛋白（myosin）及RAS 癌基因家族成員RAB27A 形成三元復(fù)合物參與胰島素顆粒的運(yùn)輸和分泌。PAX6 作為轉(zhuǎn)錄因子能夠與胰島素基因的啟動(dòng)子結(jié)合，增強(qiáng)Insulin1和Insulin2的轉(zhuǎn)錄從而促進(jìn)胰島素合成與分泌（圖2）。ciRS-7 作為miR-7 的分子海綿;miR-7 能與mRNA 3′-UTR 結(jié)合并抑制MYRIP 及PAX6 的表達(dá);MYRIP 可與肌凝蛋白(myosin)及RAS 癌基因家族成員RAB27A 形成三元復(fù)合物促進(jìn)胰島素顆粒的運(yùn)輸和分泌;PAX6 作為轉(zhuǎn)錄因子能夠與胰島素基因的啟動(dòng)子結(jié)合,增強(qiáng)Insulin1和Insulin2的轉(zhuǎn)錄從而促進(jìn)胰島素合成與分泌。因此,上調(diào)的ciRS-7 可以減弱miR-7 對MYRIP 及PAX6 表達(dá)的抑制并上調(diào)兩者的表達(dá),兩者的表達(dá)上調(diào)會(huì)促進(jìn)胰島素的合成與分泌(黑色↑代表基因或蛋白表達(dá)上調(diào))

圖2 ciRS-7調(diào)控胰島β細(xì)胞功能作用機(jī)制示意圖

1.2 環(huán)狀RNA 調(diào)控外周組織器官胰島素信號傳導(dǎo)間接參與糖尿病的發(fā)生發(fā)展

T2D 的特征之一是外周組織器官對胰島素的敏感性降低并發(fā)生胰島素抵抗，其潛在機(jī)制是胰島素信號傳導(dǎo)異常。目前有關(guān)環(huán)狀RNA 參與調(diào)控肝臟、肌肉、脂肪等外周組織器官胰島素信號傳導(dǎo)的報(bào)道比較少。

肌肉是機(jī)體內(nèi)重要的胰島素敏感組織，對全身代謝至關(guān)重要。骨骼肌胰島素抵抗的特點(diǎn)是胰島素刺激的葡萄糖攝取和利用受損。目前全基因組表達(dá)譜研究結(jié)果顯示肌肉組織中有數(shù)千種環(huán)狀RNA，但對它們的功能卻知之甚少。在糖尿病小鼠心肌組織和血管緊張素Ⅱ（angiotensin II，Ang II）處理的小鼠心肌成纖維細(xì)胞中，circRNA-010567表達(dá)顯著升高，其可能作為miR-141的分子海綿，從而增強(qiáng)miR-141 靶基因TGFβ1（編碼轉(zhuǎn)化生長因子β1，transforming growth factor β 1）的蛋白表達(dá)并促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生。在冠心病患者血清中circANRIL 與lncANRIL 的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，且circANRIL 比lncANRIL 更 穩(wěn) 定。CircANRIL 可 通過 與pescadillo 同 源 物1（pescadillo homolog 1，PES1）結(jié)合破壞核糖體RNA 成熟，誘導(dǎo)p53 蛋白活化，進(jìn)而增加細(xì)胞凋亡，減少細(xì)胞增殖，預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生［14］，但是circANRIL 是否參與調(diào)控肌肉組織胰島素信號傳導(dǎo)仍有待進(jìn)一步探究。

白色脂肪組織炎癥是導(dǎo)致肥胖相關(guān)代謝紊亂（包括胰島素抵抗）的重要原因。Zhang 等［15］研究結(jié)果表明與對照組相比高脂喂養(yǎng)組（high fat diet，HFD）小鼠脂肪組織中circARF3 表達(dá)顯著下調(diào)；circARF3 作為miR-103 的分子海綿能夠促進(jìn)miR-103 下游靶基因TRAF3（編碼腫瘤壞死因子相關(guān)受體因子3，TNF receptor associated factor 3）的蛋白表達(dá)，TRAF3 能夠增強(qiáng)線粒體自噬從而減弱炎癥反應(yīng)，因此HFD 小鼠脂肪組織中circARF3 的表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致白色脂肪組織炎癥增加進(jìn)而引起胰島素抵抗等肥胖相關(guān)代謝紊亂的發(fā)生。

2 環(huán)狀RNA 參與調(diào)控糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展

糖尿病患者病死率增加的主要原因之一是其多種并發(fā)癥（包括糖尿病腎病、糖尿病視網(wǎng)膜病變和心血管疾病等）的出現(xiàn)。已有研究表明環(huán)狀RNA 在血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙和糖尿病神經(jīng)痛中扮演著重要角色。因此，環(huán)狀RNA 的異常表達(dá)可能與糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展有關(guān)［6］。

2.1 糖尿病腎病

糖尿病腎病是糖尿病患者慢性腎功能衰竭最常見的原因之一［16］。已有研究表明，在急性腎損傷患者血液和腎組織中可以檢測到大量的循環(huán)環(huán)狀RNA，其中circRNA-15698 在db/db 小鼠和高糖暴露小鼠的系膜細(xì)胞（SV40-MES13）中表達(dá)均上調(diào)，其可以作為miR-185的分子海綿從而促進(jìn)miR-185 靶基因TGFβ1的蛋白表達(dá)［17］。TGFβ1 與轉(zhuǎn)化生長因子β 受體II（TβRII）結(jié)合并激活轉(zhuǎn)化生長因子β受體I（TβRI）進(jìn)而使Smad2蛋白和Smad3蛋白磷酸化后形成復(fù)合物，該復(fù)合物能夠促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的沉積并導(dǎo)致腎小球硬化和間質(zhì)纖維化。

2.2 糖尿病心血管并發(fā)癥

血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）增殖受損在糖尿病動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)程中扮演著重要角色。Chen等［18］研究結(jié)果表明與正常組相比，circ-WDR77 在高糖處理VSMCs 中的表達(dá)水平顯著上調(diào)，且其可靶向miR-124/FGF2（編碼成纖維細(xì)胞生長因子2，fibroblast growth factor 2）軸從而促進(jìn)VSMCs 的增殖和遷移。目前已有多項(xiàng)研究結(jié)果表明，血糖升高會(huì)損害糖尿病患者的血管內(nèi)皮細(xì)胞并可能導(dǎo)致心血管并發(fā)癥的發(fā)生［19］。Shang 等［20］通過體外實(shí)驗(yàn)證明高糖能夠誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞中95 個(gè)環(huán)狀RNA 的表達(dá)發(fā)生顯著變化，這表明環(huán)狀RNA 在高血糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞損傷和糖尿病心血管疾病的發(fā)病機(jī)制中具有重要作用。

Liu 等［21］通過實(shí)驗(yàn)證明在小鼠體內(nèi)敲降環(huán)狀RNA cZNF609 可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和成管，保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞不受氧化應(yīng)激的影響；該環(huán)狀RNA 可作為內(nèi)源性miR-615-5p 的分子海綿從而上調(diào)其靶基因MEF2A（編碼肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2A，myocyte enhancer factor 2A）的蛋白表達(dá)；MEF2A 的激活與血管內(nèi)皮細(xì)胞功能密切相關(guān)。

2.3 T2D相關(guān)慢性炎癥

T2D是一種以慢性、低度炎癥為特征的代謝紊亂綜合征。已有研究報(bào)道，環(huán)狀RNA 在T2D 患者外周血白細(xì)胞中的表達(dá)譜與炎性細(xì)胞因子存在相關(guān)性且研究結(jié)果顯示與非糖尿病對照組相比，糖尿病患者中共有220 個(gè)環(huán)狀RNA 的表達(dá)發(fā)生顯著變化，其中107 個(gè)表達(dá)上調(diào)，113 個(gè)表達(dá)下調(diào)，在這些環(huán)狀RNA 中，circ-ANKRD36 的表達(dá)水平上調(diào)最為顯著且與白介素6（interleukin 6，IL-6）、葡萄糖和糖化血紅蛋白表達(dá)水平呈正相關(guān)［22］。此外，F(xiàn)ang 等［23］研究結(jié)果表明circ-ANKRD36 可能通過與miR-3614-3p、miR-498、miR-501-5p 相互作用參與炎癥反應(yīng)相關(guān)信號通路的調(diào)控及T2D 的發(fā)生發(fā)展。

2.4 糖尿病與視網(wǎng)膜病變及神經(jīng)性疼痛

神經(jīng)性疼痛是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一，其在T2D 患者中的發(fā)病率約為30%，并隨著糖尿病病程的延長而增加。有研究表明circHIPK3 的下調(diào)可減輕STZ 誘導(dǎo)的糖尿病大鼠的神經(jīng)痛。Zhang 等［24］通過體外實(shí)驗(yàn)證明circ-0005015 可作為miR-519d-3p 的分子海綿并上調(diào)其靶基因MMP-2（編碼基質(zhì)金屬蛋白酶2，matrix metallopeptidase 2）、STAT3（編碼信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及激活蛋白3，signal transducer and activator of transcription 3）、XIAP（編碼X 連鎖凋亡抑制蛋白，X-linked inhibitor of apoptosis protein）的蛋白表達(dá)，進(jìn)而參與血管化、糖尿病視網(wǎng)膜病變和神經(jīng)保護(hù)等生物過程。

3 環(huán)狀RNA 作為T2D 潛在診斷生物標(biāo)志物

大多數(shù)經(jīng)典的T2D 診斷生物標(biāo)志物只有在疾病建立后才發(fā)揮作用，不能在疾病早期起到預(yù)測作用［25］。因此，迫切需要開發(fā)新的、更敏感的生物標(biāo)志物。由于環(huán)狀RNA 的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和缺乏游離的5′和3′端，其對外切酶RNase R 具有很強(qiáng)的抗性［26］。環(huán)狀RNA 在體液中十分穩(wěn)定，在血漿中的半衰期平均為48 h，比mRNA 的平均值長10 h。環(huán)狀RNA 在組織和細(xì)胞中的表達(dá)具有特異性并且其在血液、腦脊液、唾液、尿液等體液中含量較高［27］。因此，將環(huán)狀RNA 作為潛在的生物標(biāo)志物用于包括糖尿病在內(nèi)的一系列人類疾病的早期診斷和預(yù)后檢測趨勢明顯［24］。

Zhao 等［28］對T2D 患者組、糖尿病前期組和健康對照組人群外周血中部分環(huán)狀RNA 的表達(dá)水平進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3 組間circ-0124636 及circ-0139110 的表達(dá)水平無明顯差異，而circ-0018508和circ-0054633 在糖尿病前期組和T2D 患者組外周血中的表達(dá)水平均高于健康對照組并且circ-0054633 的表達(dá)水平從健康對照組至T2D 患者組逐漸升高。接收者操作特征曲線分析（receiver operating characteristic curve，ROC）結(jié)果表明，circ-0054633 有望成為臨床應(yīng)用中診斷糖尿病前期和T2D的生物標(biāo)志物。

Li等［29］檢測了冠心病患者組、T2D患者組及健康對照組人群外周血中環(huán)狀RNA 的表達(dá)譜，結(jié)果顯示各組間circ-0009036 和circ-0054129 的表達(dá)水平無明顯差異，但與對照組相比，T2D 患者組和冠心病組外周血中circRNA11783-2 的表達(dá)水平均顯著下調(diào)。因此circ-RNA11783-2 作為診斷或預(yù)測T2D 與心血管系統(tǒng)疾病的生物標(biāo)志物具有十分重要的潛在價(jià)值。

4 總結(jié)與展望

環(huán)狀RNA 的動(dòng)態(tài)表達(dá)模式及復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)都表明它們不僅僅是異常剪接的副產(chǎn)品，而是新出現(xiàn)的具有調(diào)控功能的RNA 分子。越來越多的研究結(jié)果表明，環(huán)狀RNA 的異常表達(dá)可能與T2D 等多種人類疾病相關(guān)，然而目前環(huán)狀RNA 與T2D 的臨床相關(guān)性還不清楚，有待進(jìn)一步的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)闡明環(huán)狀RNA 在T2D 及其并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展中的具體作用，以及這些環(huán)狀RNA 作為T2D 潛在治療靶點(diǎn)和生物標(biāo)志物的可能性。