CircRNA在代谢性疾病中的研究与进展前景

【摘要】代谢性疾病是影响世界公共卫生健康的主要原因之一，也是全球大量人口死亡的主要原因。早期诊断和预后判断是治疗、减少并发症以及降低死亡率的关键因素。环状RNA（Circular RNA, circRNA）在机体的生理和病理过程中起重要作用，参与许多疾病的发生发展。circRNA具有保守性、稳定性、特异性、普遍性等，这使得circRNA有望成为新的潜在生物标志，但其作为检测指标应用于临床仍然需要迎接新的挑战。

【关键词】circRNA；代谢性疾病；生物标志物

代谢性疾病（me[x]tabolic diseases）是世界范围内主要的公共卫生问题，糖尿病、高血压、肥胖、血脂异常和动脉粥样硬化是常见的代谢性疾病[1]。据报道，代谢性疾病发病率的上升给公共健康带来了巨大影响，代谢风险因素包括BMI、高血糖、高血压以及高胆固醇等占2019年全球健康负担的20%，比1990年高出50%，由其导致的死亡人数大量增加[2]。代谢性疾病通常被认为是通过遗传、表观遗传、环境暴露、生活方式等之间复杂的相互作用而产生的，使机体正常的代谢过程发生紊乱，发病机制涉及到多个分子途径和过程[3]。近年来，研究发现环状RNA（Circular RNA, circRNA）参与机体多种生理代谢过程，其异常表达与代谢性疾病的发生发展相关，被认为是这些疾病的预测生物标志物和潜在的治疗靶点[3,4]。

一、circRNA的特征及生物学功能

circRNAs是一类共价闭合的环状非编码RNA分子，无5末端帽子和3末端poly（A）尾巴，由编码基因的前mRNA通过剪接形成，在真核转录本中含量丰富，与人类的多种疾病相关[5]。根据circRNA包含的序列类型分为三种类型，即外显子circRNA、内含子circRNA和外显子-内含子circRNA，而外显子circRNA是目前发现的主要类型，广泛分布在细胞质中[6]。与线性RNA相比有着较强的稳定性，circRNA合成保守，具有组织特异性，并且对核酸外切酶具有抵抗力[7]。越来越多的证据也表明，circRNA在疾病中起着至关重要的作用。
circRNA的调控功能多样：① circRNA含有大量miRNA结合位点，基于海绵作用间接调控miRNA分子下游靶基因的表达；②与RNA结合蛋白（RNA Bingding Protein，RBP）结合，调节基因的转录剪接及翻译等；③作为翻译模板，合成蛋白质或肽链；④依赖内部核糖体进入位点（IRES）介导核糖体翻译；⑤基于m6A的修饰，能促进环状RNA翻译[8]。基于circRNA的保守性、稳定性、特异性、普遍性等，并且广泛分布在生物体液中，包括血液、脑脊液、唾液和尿液等[9]，circRNA作为新的生物标志物用于疾病预测、诊断和治疗的潜力已经受到国内外研究者的广泛关注。

二、circRNA与代谢性疾病

1. circRNA与糖尿病：
糖尿病（DM）是一种常见的多病因代谢紊乱疾病，以慢性高血糖为特征，由于胰岛素分泌或/和胰岛素作用缺陷，导致糖脂代谢紊乱[10]。糖尿病代谢调控是一个复杂的网络，因治疗水平的限制，大部分糖尿病患者只能得到长期的控制，因此需要不断探索新的特异性标志物及潜在的分子靶标。Hu等[11]发现circRNA_15698在高糖小鼠肾小球系膜细胞中表达上调，并通过作用于miR-1851正向调控转化因子-β1蛋白的表达。circRNA也可能是控制糖尿病并发症病变的潜在靶点。视网膜病变是糖尿病的严重并发症之一，研究发现circRNA HIPK3可以通过阻断miR-30a的功能，促进内皮细胞增殖和血管功能障碍，在糖尿病视网膜病变中发挥作用[12]。另外，Zhang等[13]发现circ_0005015在糖尿病视网膜病变患者的体液样本中上调，并且沉默circ_0005015降低了人视网膜血管内皮细胞的增殖、迁移和管状形成，circ_0005015可能是监测糖尿病视网膜病变的理想候选生物标志物之一。通过基因芯片和Q-PCR分析，Zhao等[14]测量了糖尿病前期和2型糖尿病患者与匹配的对照组受试者外周血中circRNA的差异表达，其中has_circRNA_0054633上调，这表明它有可能成为糖尿病前期和2型糖尿病的诊断生物标志物。随后，有研究证明has_circRNA_0054633亦是妊娠期糖尿病的潜在生物标志物[15]。circRNA为糖尿病的发病机制提供了新视角，有望成为疾病的生物标志物和治疗靶点。
2. circRNA与心血管疾病：
心血管疾病（CVD）是全球范围内主要死亡原因之一，其患病率持续上升，新的治疗靶点和生物标志物对心血管疾病诊断和预后判断意义重大。研究发现许多circRNA是由与心血管疾病相关基因产生的，包括Ryr2、TTN和DMD等，并且检测到相关circRNA在健康和患心血管疾病患者体内的差异表达[16]。越来越多的证据显示，遗传和表观遗传因素对CVD的发生进展有重要影响，一些在CVD中发现的异常表达circRNA可能是CVD潜在的生物标志物。一项me[x]ta分析确定了在CVD中异常表达的63个circRNAs，其中上调44个，下调19个，结果表明circCDKN2BAS和circMACF1是潜在的CVD诊断和治疗的循环生物标志物[17]。据研究报道[18,19]，一种来源于锌指蛋白609的circRNA MICRA在急性心肌梗死患者中水平较低可能预测左心室功能不全，有望成为预测急性心肌梗死的生物标志物。研究表明[20]，hsa_circ_0001445表达水平与冠状动脉粥样硬化程度和严重程度有关，对冠状动脉粥样硬化程度的诊断有较高的预测价值。
3.circRNA与肥胖：
肥胖是影响多个发达国家和发展中国家的慢性疾病，往往与多种疾病并存，严重影响人们的生活质量[21]，开发具有早期诊断和有效治疗潜力的新策略是亟需解决的。一项利用circRNA测序和生物信息学技术的研究分析了大白猪和莱芜猪皮下脂肪组织中circRNA的表达，检测出70个上调的circRNAs和205个下调的circRNAs，并推测circRNA可能调节成脂分化和脂质代谢[22]。circRNA在肥胖中的作用很大程度上还在探索中，一项研究表明，circSAMD4A过度表达与肥胖患者预后不良相关，其可通过作为miR-138-5p海绵调节前体脂肪细胞分化，从而增加EZH2的表达，有可能成为肥胖治疗的潜在靶点或作为肥胖患者减肥术后潜在的预后标志物[23]。另外一项研究对内脏脂肪和皮下脂肪进行深度测序，发现脂肪形成和肥胖过程中受到多种circRNA的动态调节，其中circTshz2-1和circArhgap5-2是体外脂肪形成不可或缺的调节因子[24]。
4. circRNA与非酒精性脂肪肝：
非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是动物和人类的主要代谢性疾病，发达国家成人患病率高达30％，儿童患病率10％[25]。NAFLD的影响因素包括胰岛素抵抗、脂肪组织功能障碍、线粒体和内质性视网膜应激、慢性炎症、遗传和表观遗传因素等[26]。NAFLD常导致多种并发症，对患者的健康及生活质量产生较大影响，进一步进行分子研究可能有助于疾病严重程度及预后的判断。Ou等[27]利用生物信息学方法在非酒精性脂肪性肝病模型小鼠中，发现共有450个表达异常的circRNA，其中298个表达上调，152个下调，circRNA-29981表达具有差异。Guo等[28]研究发现，circRNA_0046367在具有脂肪变性的肝脏中表达降低，并且其下调可导致miR-34a/PPARα相互作用和脂质过氧化损伤。Guo等[29]在另一项研究中发现circRNA_0046366表达在游离脂肪酸诱导的肝细胞脂肪变性过程中也会降低，其上调抑制了miR-34a/PPARα的相互作用，导致TG水平降低，抑制了肝细胞脂肪变性。这些研究提示了circRNA_0046367和circRNA_0046366可能在NAFLD的发病机制中起重要作用。

三、circRNA的检测方法

目前，circRNA的检测方法包括RNase R消化检测、qPCR检测和RNA-Seq检测。RNase R消化检测是一种新的方法，即先用RNase R去除线性RNA，然后对残留的RNA进行多聚腺苷酸化并消除含有poly(A)尾的RNA，以分离纯化的circRNA用于RNA-Seq分析[30]。这种检测方法有效地去除线性RNA，富集circRNA，增强了circRNA的定量和定性分析。一般通过引物和位点设计来进行qPCR检测鉴定circRNA，多用于高通量测序后的数据验证及后续功能研究的定量检测。circRNA测序使用下一代测序（NGS），结合核糖体RNA（rRNA）的缺失来揭示RNA的存在和数量，然后将测序数据与某一个物种的基因组进行比对，根据存在的后剪接跨连接reads来识别环状circRNA[16]。目前，已有十一种算法用于检测circRNA，包括PTESFinder、KNIFE、 NCLscan和circRNA_finder等[31]。

四、研究展望

随着生物信息学检测技术的不断成熟和医学领域的不断发展，近年来，表观遗传学受到国内外研究者重视，其中相对稳定和丰富的circRNAs在生物生理及病理过程中起着关键作用。因血液半衰期长、结构相对稳定、组织特异性良好等优点，circRNA可以作为理想生物标志物的潜力候选者。circRNA在代谢性疾病的发生发展起着重要的调节作用，与相关的转录因子、miRNA、mRNA、RBP以及代谢途径之间存在复杂的网络相互作用，circRNA的功能和特性还在不断探索中，其特异性和敏感性还需要进一步验证，作为代谢性疾病的生物标志物仍需要迎接相应的挑战。