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文档简介

1、环状rna与神经系统疾病的关系研究进 展曹小丽黄文广西医科大学第一附属医院神经内科摘要:环状rna (circrna)是一类通过反向剪接方式形成的特殊非编码rna,在生物体 内广泛存在,具有高度保守性,且较相应线性rna稳定,可发挥基因表达调控、 细胞通讯及蛋白翻译等多种重要生物学功能。circrna具有组织器官特界性并在 神经系统富集,其可能通过竞争性结合微rna,影响轴突牛长、神经元迁移,与 rm结合蛋白相互作用等机制,参与脑的发育及变性疾病、肌肉疾病、脑血管疾 病等神经系统疾病的发生发展,故circrna在神经系统疾病的诊断和治疗方面 具有广阔的前景。关键词:神经系统疾病;环状rw;非编

2、码r酉;基因表达调控;作者简介:黄文,emai 1 : hwen 1229163. com收稿日期:2017-07-19基金:国家自然科学基金(81760218)research progress of therelationship between circular rna and neurological diseasescao xiaoli huang wendepartment of neurology, the first affiliatedhospital of guangxi medical university;abstract:circular rna (circrna)

3、is a kind of special non-coding rna formed by reverse splicing. it is widely present in the body, highly conserved and stable in the 1iving body comparing with the corresponding linear rna, and it ccin play the role of gene expression regulation, cell communication and protein translation and other

4、important biological functions. circrna has tissue and organ specificity and is enriched in the nervous system, which participates in brain development, the onset and development of degenerative disease, muscle disease, cerebrovascular disease and other neurological diseases possibly by competitivel

5、y binding to microrna, affecting the growth of axons, neuronal migration, and interaction with rna binding protein. therefore, circrna has a broad prospect in the diagnosis and treatment of neurological diseases.keyword:neurological diseases; circular rna; non-coding rna; gene expression regulation;

6、received: 2017-07-19环状 rna (circular rna, circrna)分了是一类不具有 5'端帽和 3'端 poly (a) 尾,以共价键形成环形结构的内源性非编码rm分子。20世纪70年代,在针对 rna病毒的研究屮首次证实了 circrna的存在山。随后circrna陆续被证实广 泛存在于真核生物细胞质、酵母线粒体中,其特性与肝炎病毒有相似性2-4。nigro等固在研究人体细胞dcc基因时首次发现了人体内源性circrna,随后在 人体细胞原癌基因ets-1转录木中也发现了类似结构回。借助rna测序和牛物 信息学技术,种类和数量惊人的circr

7、na分子亦被陆续发现。目前研究证实 circrna具有高度保守性hl在同一个真核生物体的不同组织屮广泛存在,如 脑£21、人体睾丸固,肝、肾回和肺io等,在细胞质、细胞核、血清外泌体 以及人类唾液中均发现了大量的circrnall-13,尽管大多数circrna含量极 低,但部分circrna含量高于所对应的线性rna分子。因circrna分子呈闭环结 构,不易被核酸外切酶降解,故较线性rna稳定,具有作用于mirna前体发挥线 性剪接竞争、调节亲代基因表达、影响蛋白表达等功能9, 12, 14-20,并可能通 过复杂机制参与多种疾病的发生发展8, 11, 21-24,也可能成为生物

8、学标志物 及诊断和治疗的重要潜在靶点。现就circrna的发生机制、生物学功能及其与神 经系统疾病的关系等方面作一综述,从而为多种神经系统疾病的诊断及治疗提 供帮助。1环状rna的形成机制circrna类型复杂,可来自基因组上多种结构,且同一基因的位置也可产生不 同类型的circrnao目前发现的circrna根据基因组的来源及构成序列主要分为 3类:(1)外显子来源的circrna分子14,在细胞中广泛存在,其通过两种可 能的机制反向剪接形成:在前体rna转录过程中rna发牛部分折叠,拉近木来不 相邻的外显子,导致外显子发生跳读,使被跨越的区域形成circrna中间体, 随后再通过剪接形成外

9、显子來源的circrna25;另外,位于内含子区域的反向 互补序列促成了内含子区域配对,介导反向剪接从而形成circrna分子16。(2) 内含子来源的circrna分子:内含子在经过剪接后形成套索结构,被脱分支 酶作用后迅速降解,但一些含有关键核酸序列的内含子在剪接发牛后可不被降 解,形成内含子来源的circrna,它们的形成依赖于含有邻近5'剪接位点的7 个核昔酸gu富集元件以及含有邻近分支点的11个核昔酸c富集元件,具有少量 的微rna (microrna, mirna)靶点26。(3)由外显子和内含子共同组成的circrna分子:在反向剪接形成外显子来源的circrna分子过程

10、中,某些情况下 含有未剪接内含了的circrna可作为一类独立存在的circrna分了而非中间体稳 定存在,形成一类新的circrna16 o2 circrna的生物学特征2. 1 circrna调控基因表达circrna可通过多种方式影响基因的表达过程。hansen等14首次揭示小脑变性 相关蛋白 1 反义转录物 (antisense to the cerebellar degeneration related protein 1 transcript, cdrlas)可以结合吸附mirna-7,从而降低其活性,间 接上调其相关靶基因的表达,提示circrna可发挥mirna海绵作用而影响相

11、关基 因的表达。小鼠精子决定基因的特异性环状转录体也具有类似的mirna海绵功能 7。另外,memczak等15通过对人、小鼠、线虫的circrna提取分析,证实了 circrna的转录后调控作用。这类外显子来源的circrna分子含mirna应答元件, 可充当竞争性内源rna,与mirna结合,解除mirna对其靶基因的抑制作用,调 控基因转录,上调靶基因的表达水平。研究证实,内含子来源的circrna分子大 部分存在于细胞核中,并通过顺式作用调控基因的转录,如起源于锚蛋白重复 结构域52中2号内含子序列的circrna分子,主要定位于细胞核中,其可促进 rna聚合酶ii对锚蛋白重复结构域5

12、2基因的转录及z;也有研究通过rna免疫共 沉淀实验将聚合蛋a pol ii结合的circrxa分离出来,发现真核翻译延长因子3j 的环状转录体通过与u1核糖核蛋口结合,促进其亲本基因真核翻译延长因子3j 的转录21。2. 2 circrna调控细胞间通讯及信号通路ij等16发现外泌体中存在circrna, 口外泌体与胞质中的circrna种类存在差 异,提示circrna进入外泌体是一个有选择的过程,可能作为一种细胞间通讯 的途径,方便远端细胞间的物质和信息交流。lasda和parke讥28分析了 hela, 293t和u2os细胞胞外分泌小泡(含外泌体)中环状rna和线性rna的和对数量,

13、 发现环状rna的比例大于线性rna,表明分泌小泡(含外泌体)是细胞选择性释 放内源环状rm、清除胞内积累circrna的一种机制。另外,circrna也参与调 控细胞信号通路,如大鼠肉瘤鸟营酸交换因子环状rna调控toll样受体/脂多糖 信号通路,影响细胞间黏附分子1的表达水平18。2. 3 circrna影响细胞周期及细胞凋亡du等17表明foxo3基因的环状rna (circ-foxo3)可结合双微粒体蛋口 2和抑 癌基因p53,促进p53泛素化修饰和降解,稳定foxo3蛋白,最终导致p53止向 调控细胞因子上调并增加细胞凋亡的敏感性,高表达的circ-foxo3可促使细胞 周期停留在g

14、期,因为circfoxo3与细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂1a和细胞 周期素依赖激酶2结合形成三元复合体抑制细胞周期进程。nan等29发现 circrna通过竞争性结合mirna-671上调门冬氨酸特异半胱氨酸蛋白酶8和p38 丝裂原激活蛋口激酶,在铅诱导的神经细胞凋亡过程中间接影响细胞凋亡通路。2. 4 circrna影响蛋白翻译并与蛋白形成复合体在高等真核生物中除常规的基于5' -cap结构的蛋白翻译起始机制外,一些经常 存在于病毒中的内部核糖体进入位点元件也可以直接启动核糖体的组装和翻译 起始30。yang等£1丑发现插入内部核糖体进入位点元件的circrna可在细胞 屮

15、得以翻译,6-甲基腺瞟吟修饰能促进这个过程;本身富含6-甲基腺瞟吟修饰的 circrna同样可被翻译;6-甲基腺卩票吟识别蛋口能够结合到circrna的6-甲基腺 卩票吟修饰位点,并募集真核生物翻译起始因子4g2等驱动circrna的翻译。另外, 该研究还通过质谱分析方法鉴定了一些由circrna编码的新肽段,提示在细胞 中富含由circrna编码的蛋白,但其活性仍待进一步证实。2.5 circrna参与假基因的形成尽管circrna有广泛的生物学功能,但circrna能否逆转录并最终以假基因形式 插入到宿主基因组中尚未明确,理论上,线性mrna衍生的假基因会与其亲本线 性mrxa保持相同的外

16、显子先后顺序,因此circrna衍牛的假基因会具有倒序的 外显子-外显子连接点,根据这一原理,dong等31设计了一个被称为“cir-cpscudo”的计算管道,在小鼠基因组屮鉴别潜在circrna衍生假基因的 过程,分析了小鼠基因组中与人类环指和w'd重复域2 (ring finger and wd repeat domain 2, rfwd2)基因对应的环化位点(外显子6-外显子2),在小鼠 的基因组中找到了 33个“高可信度rfwd2基因的环状rna (circrfwd2)来源假 基因”,在包含外显子26的外显子区找到9个“低可信度的circrfwd2来源假 基因”,同时该研究亦

17、发现了 6个包含circrfwd2 z外的外显子区序列的假基 因。除circrfwd2外,johnsson等32研究发现第10号染色体上缺失的磷酸酶 与张力蛋白同源物基因(phosphatase and tensin homology deleted on chromosome 10, pten)存在反义转录体ptenpgl,它的b异构体可通过rna-rna 配对作用,影响ptenpg 1的稳定性及其mirna海绵作用,进而影响pte7的蛋白 表达。这些研究证实假基因可由circrna反转录转座而来,并在哺乳动物基因组 中遗传,可能通过提供增加的转录阻抑物结合位点影响了基因组结构发挥作用。3

18、circrna与神经系统疾病 circrna中存在多种可变剪切方式,但比例相差较大,功能也存在差异,其中 一类在神经系统中特异分布33-35 °在小鼠和人类大脑中均发现了大量相对保 守、丰度高于所对应的线性rna的circrna,而且这些circrna呈现出细胞类型 与分化状态特异的表达特征,一些circrna的表达量并不受所对应的线性rna 表达量的影响,甚至两者表达状态呈相反的趋势也。这些均提示circrna在神 经系统可能发挥重要的生物学功能。3.1 circrna与人类大脑发育rybak-wolf等36发现,哺乳动物大脑组织中大量存在circrna分子,随着大 脑发育,其表达

19、量亦会升高,尤其在突触结构中。该研究还比较了纹状体、前额 皮质、嗅皮质、小脑和海马组织屮circrna的表达情况,结果发现不同神经组织 中circrna的表达谱亦存在明显差异。在小鼠大脑中,cdrlas与mirna-7在中 脑共表达,在斑马鱼模型中干扰mirna-7或者增加cdrlas表达后可导致中脑发 育异常,体积变小15,36。另外,mir7a-7在大脑皮质神经元祖细胞中丰度很 高,cdrlas作为典型的具有mirna海绵功能的circrna分子,其过表达与小头 畸形有关24。对于神经发育重要的调控基因,如fbxw7、d0pe-y2. rmst等均 存在对应的circrna,这些circr

20、na的表达与神经系统尤其是脑部发育异常有一 定的关系37 o3.2 circrna与脑血管疾病有研究在小鼠海马神经元细胞ht22体外脑缺血/再灌注模型中,通过circrna 芯片等技术,发现其屮编号为mmucircrna-015947的环状rna表达上调,生物信 息学预测与其相互作用的mirna可能为mirna-188、mirna-329、mirna-3057、 mirna-5098和mirna-683,信号通路富集分析发现这些mirna下游的靶基因主要 与凋亡和免疫应答信号有关也研究发现,细胞周期激酶抑制因子4基因座中 反义非编码rna可通过对多梳家族蛋白特异性募集影响邻近基因表达,影响动

21、脉粥样硬化进程,是新的动脉硬化危险因素im,但这一基因的环状反义转录 物可能通过竞争性抑制核糖体rna加工的中间体rna分子与核仁蛋口 pes1的结 合,进而影响核糖体生成以及诱导核仁应激,促进凋亡并减缓细胞增殖,具有 潜在的抗动脉硬化的功能陛1。3. 3 circrna与神经系统变性疾病cdrlas含有约70个mirna-7结合位点,作为内源的mirxa-7结合“海绵”,其 吸引、结合并抑制mirna-7功能14。研究发现,散发性阿尔茨海默病患者大脑 的新皮质和海马ca1组织中cdrlas-7介导的“微rna海绵”样作用存在缺陷, 这种缺陷会导致大量mirna-7的存在,进而下调mirna-

22、7敏感性mrna靶标,如 编码泛素结合酶r2a基因的表达,泛素结合酶e2a又可通过蛋白水解过程清除淀 粉样蛋口肽,cdrlas-mirna-7泛素结合酶e2a回路显著失调可加剧淀粉样蛋口 积累和老年斑形成,从而促进阿尔茨海默病的发生3。在帕金森病中, mirna-7cdrlas也可能通过调控a -突触核蛋白的表达影响帕金森病的进程 39 o chen等四1在对多系统萎缩患者的研究中发现了 5种circrna: iqck. map4k3、efcablk dtna和mctp1,这5种circrna在多系统萎缩患者的额叶皮 质白质中特异性高表达,但其所对应的线性rna表达变化不明显,提示这些 cir

23、crna可能与多系统萎缩的发牛发展有关。3. 4 circrna 与肌病legnini等41在正常人、小鼠以及dunche肌营养不良疾病动物模型中进行高 通量测序及生物信息学分析,并比较了成肌分化过程和疾病状态下circrna的 表达情况,筛选出具有显著性差异的circrna,进一步基于保守性、表达丰度、 环化/线性比值、分化过程中调控作用的原则,筛选出了 31个候选circrnas,并 通过后续逆转录实时聚合酶链反应实验、r7a干扰实验等验证了 znf609基因的 环状rm (circ-znf609)可调控成熟肌细胞的增殖其至翻译蛋h。盲肌结合蛋 口 (musclcblind protein

24、, mbl)的功能缺陷与强直性肌营养不良有关,盲肌可 结合其亲本基因2号外显子,促进盲肌结合蛋白的环状rna (circ mbl)生成, 而circ mbl也可与盲肌结合,降低其有效表达,进而减少circ mbl生成,这种 调控结果促进了强直性肌营养不良的发病7 o 3.5 circrna与航蛋白样活性月元蛋白是一类具有感染性的蛋白分子构象,其与对应的正常蛋白一级结构序列 相同,肮蛋口可通过与对应正常蛋口相互作用“诱导”后者变成可感染的构象。 进而使其扩散,最终影响正常生理活动,引发疾病。badelt等42通过计算机 模拟设计了一种类似“月元蛋白”样活性49 nt大小的circrna分子,可以

25、像月元病 毒一样通过分子间相互作用将rna构象复制给另一个rna分子,这-模型的实现 对于航蛋口病的研究有重大意义。3. 6 circrna与运动神经元病运动神经元病患者的细胞质中会出现核蛋白tar-dna/rna结合蛋白富集的情况, 与疾病的发牛发展有关,研究发现如果胞质中富集内含子来源的circrna,则 能抑制核蛋a tar-dna/rna结合蛋白的富集及毒性作用,表明circrna有可能用 于开发治疗这类疾病43。3.7 circrna与多发性硬化多发性硬化与免疫功能失衡相关,而这种免疫失衡乂被认为与基因表达调控有 关,有研究在对多发性硬化患者及健康对照人群中13 617个circrn

26、as进行表达 谱分析过程中,筛选了与疾病相关的circrna,共找到406种表达差异的 circrnas,最终发现來源于 anxa2 基因的 circrna (circanxa2) circ_0005402 和circ 0035560在多发性硕化患者中低表达,可作为疾病标志物44。尽管已证实circrna与多种神经系统疾病均存在一定关联22-24, 36-37, 39-44, 但目前关于神经系统中circrna富集的原因及其作用机制尚未明确。westholm 等在果蝇大脑中分析了 circrna的结构及分布,发现circrna容易在长片段 内含子附近形成,也更易在衰老的果蝇脑组织屮聚集;另外,

27、神经系统屮重要基 因所携带的内含子往往较长,这为circrna的形成提供了更大的可能。you等関 针对大脑中特异存在的circrna进行了基因本体分析,发现大部分circrna所对 应的蛋白编码基因为神经突触相关基因,在突触形成阶段会出现circrna爆发 式升高的过程。高分辨率荧光原位杂交实验也证实circrna不仅存在于神经元的 胞体部位,也定位于神经元树突34。此外,神经组织分布特异性rbp蛋白很可 能在circrna形成过程屮发挥重要作用,但目前已知的与circrna形成有关的 rbp,如盲肌、rna信号转导激动蛋白等似乎并不符合这一推测3,故不排除 有其他未发现的rbp促进了神经系统

28、中circrna的形成和富集。ven等45总 结了以下circrnas可能参与调控神经发育过程的机制:(1)竞争性结合 microrna; (2)影响轴突生长和神经元迁移;(3)外显子-内含子circrna通过 结合rna聚合酶ii促进所对应基因的转录作用;(4) circrna直接表达多肽;(5) 受rna结合蛋白调控,影响circrna的形成及竞争性结合rbp; (6)通过结合rbp 促进rbp-circrna复合体的细胞定位发生变化,如定位在神经突触中;(7) circrna促进rbp的相互作用及形成更复杂的蛋白-r7a复合物;(8) mirna-671 可结合cdrlas并诱导argo

29、naute介导的降解cdrlas作用,释放所结合的mirna; (9)某些特定的circrna表达可作为神经元状态变化的标志;(10)在突触发育 的某些时期,与突触形成有关的特定基因形成circrna富集于突触小泡结构中。 另外,circrna定位于胞外膜结构中,可能参与远距离相互作用。以上机制涵盖 了大部分circrna研究的机制模型,它们均可能是circrna在神经系统中发挥作 用的方式。4小结随着新的测序技术和生物信息学方法的发展,大量circrna在不同种类的生物 体和组织中被发现,这些发现拓展了人们对rna分类及功能的认识,而circrna 的机制和功能研究也备受关注,并成为分子研究

30、领域的重要热点。circrna在进 化上高度保守,尤其在神经系统富集,与突触的功能亦有重要关系, circrna-mrna-mirna联系网络参与多种神经系统疾病的发生发展,机制较复 杂。目前对circrna的大部分功能注释仅限于circrna的宿主蛋白编码基因或对 可能有结合位点的mirna进行预测分析,故进一步探索circrna及其作用网络, 对于寻找疾病诊断的生物学标志和基因治疗有重要的意义。参考文献1 sanger hl, klotz g, riesner d, et al. viroids are single-stranded covalently closed circular、

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