尹艷玲,谷九龍

(重慶三峽職業(yè)學(xué)院,重慶 404155)

環(huán)狀RNA(circular RNA,circRNA)是一類單鏈閉合環(huán)狀的非編碼RNA分子,廣泛分布于真菌、原生生物、植物、線蟲、斑馬魚、果蠅和哺乳動(dòng)物等真核生物中。環(huán)狀RNA最早發(fā)現(xiàn)于1971年,被認(rèn)為是由RNA錯(cuò)誤剪接產(chǎn)生而不具備生物學(xué)功能。直到2010年,隨著高通量RNA測(cè)序(RNA sequencing,RNA-seq)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,大量環(huán)狀RNA得到鑒定。2013年,Hansen和Memczak團(tuán)隊(duì)發(fā)表了對(duì)環(huán)狀RNA ciRS-7功能研究的報(bào)道,自此環(huán)狀RNA逐漸成為非編碼RNA領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。研究表明,環(huán)狀RNA具有穩(wěn)定、豐富、保守及組織和發(fā)育階段特異性表達(dá)等特性,在各種生理和疾病進(jìn)展中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。本文就環(huán)狀RNA的生物學(xué)功能及其在病原感染中的作用進(jìn)行了綜述,以期為闡明環(huán)狀RNA在病原感染中的作用機(jī)制提供參考,為感染性疾病的防控提供依據(jù)。

1 環(huán)狀RNA的生物學(xué)功能

1.1 充當(dāng)miRNA海綿

環(huán)狀RNA最重要的生物學(xué)功能之一是發(fā)揮miRNA海綿或競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(competitive endogenous RNA,ceRNA)的作用。miRNA可通過與其靶基因的3′非翻譯區(qū)結(jié)合來抑制靶基因的表達(dá),靶基因3′非翻譯區(qū)中與miRNA互補(bǔ)配對(duì)結(jié)合的序列稱為miRNA反應(yīng)元件[1]。根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA假說,環(huán)狀RNA序列中也含有miRNA反應(yīng)元件,能與miRNA的靶基因競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miRNA,從而解除miRNA對(duì)其靶基因的抑制作用[2]。值得注意的是,一個(gè)環(huán)狀RNA通常具有不同的miRNAs反應(yīng)元件或?qū)σ粋€(gè)miRNA有多個(gè)結(jié)合位點(diǎn),一個(gè)miRNA也可被不同的circRNAs海綿吸附。如CDR1as具有miR-7、miR-671、miR-1270、miR-219a-5p、miR-139-3p、miR-1299、miR-876-5p、miR-135a和miR-135b等多個(gè)miRNAs反應(yīng)元件,其中CDR1as包含70多個(gè)保守的miR-7反應(yīng)元件。miR-7也能被CDR1as、circHIPK3、circ-U2AF1等多個(gè)circRNAs海綿吸附。

1.2 與RNA結(jié)合蛋白相互作用

環(huán)狀RNA與RNA結(jié)合形成環(huán)狀RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物(circRNPs),從而影響蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位、蛋白質(zhì)相互作用及mRNA的穩(wěn)定性等,如circ-Foxo3可通過與應(yīng)激和衰老相關(guān)蛋白質(zhì)相互作用來阻止它們的核易位[3]。在正常的生理狀態(tài)下,CDK2蛋白與細(xì)胞周期蛋白A(cyclin A)及細(xì)胞周期蛋白E(cyclin E)結(jié)合,保證細(xì)胞周期正常運(yùn)轉(zhuǎn);過表達(dá)circ-Foxo3可促進(jìn)其與CDK2蛋白和p21蛋白形成三元復(fù)合物,阻礙CDK2蛋白和cyclin A、cyclinE的結(jié)合,從而抑制細(xì)胞周期的正常進(jìn)展[4]。circNSUN2通過和IGF2BP2蛋白、HMGA2基因形成RNA-蛋白質(zhì)三元復(fù)合物,以增強(qiáng)HMGA2 mRNA的穩(wěn)定性[5]。

1.3 調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄

eiciRNA和ciRNA主要位于細(xì)胞核,它們可通過與RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)協(xié)作來啟動(dòng)親本基因的轉(zhuǎn)錄,如ci-SIRT7、ci-MCM5和eici-paip2通過與Pol II作用可分別促進(jìn)親本基因SIRT7、MCM5和PAIP2的轉(zhuǎn)錄[6]。另外,分布在細(xì)胞核中的ecircRNA(如circACTN4)可通過與啟動(dòng)子相互作用并將轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白募集到啟動(dòng)子區(qū)域,從而激活基因轉(zhuǎn)錄[7]。

1.4 翻譯表達(dá)蛋白質(zhì)

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,5′端帽子結(jié)構(gòu)和3′端poly(A)尾結(jié)構(gòu)是翻譯的必要條件,而環(huán)狀RNA不具有5′和3′游離末端,因此最初認(rèn)為環(huán)狀RNA不具有蛋白質(zhì)翻譯功能。但研究發(fā)現(xiàn),IRES或N6-甲基腺苷(m6A)可介導(dǎo)環(huán)狀RNA的翻譯。目前研究比較廣泛的是IRES介導(dǎo)的環(huán)狀RNA翻譯機(jī)制,IRES可招募起始因子和核糖體來啟動(dòng)mRNA非帽依賴性的翻譯起始,通過在環(huán)狀RNA序列中插入IRES序列可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)狀RNA的翻譯;m6A介導(dǎo)環(huán)狀RNA翻譯的機(jī)制與IRES類似,通過m6A“閱讀器”YTHDF3募集起始因子,從而起始環(huán)狀RNA的翻譯[8]。通過對(duì)環(huán)狀RNA序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),大量環(huán)狀RNA序列中含有m6A和IRES元件。同時(shí),含有豐富ORF序列的環(huán)狀RNA即使缺乏m6A和IRES元件也可被翻譯成蛋白質(zhì)[9]。

2 宿主環(huán)狀RNA在病原感染中的作用研究進(jìn)展

2.1 環(huán)狀RNA與病毒感染

病毒感染可引起宿主環(huán)狀RNA表達(dá)譜的改變,用測(cè)序技術(shù)檢測(cè)PEDV感染豬空腸上皮(IPEC-J2)細(xì)胞中的環(huán)狀RNA表達(dá)譜發(fā)現(xiàn),PEDV感染不同時(shí)間點(diǎn)(36 h、60 h、72 h)共引起IPEC-J2細(xì)胞中1078個(gè)circRNAs顯著差異表達(dá),包括495個(gè)上調(diào)和583個(gè)下調(diào)的circRNAs[10]?；诳谔阋卟《?FMDV)感染豬腎(PK-15)細(xì)胞模型發(fā)現(xiàn),FMDV感染可導(dǎo)致PK-15細(xì)胞中1100個(gè)circRNAs的顯著差異表達(dá),其中425個(gè)circRNAs上調(diào)表達(dá),675個(gè)circRNAs下調(diào)表達(dá)[11]。

環(huán)狀RNA在宿主抗病毒感染的防御反應(yīng)中發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。EB病毒(Epstein-barr virus,EBV)是導(dǎo)致淋巴瘤發(fā)生的重要影響因素,其與彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤的不良臨床轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)。在EB病毒+彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤病人腫瘤組織中circEAF2顯著下調(diào)表達(dá);體外研究發(fā)現(xiàn),EB病毒陽(yáng)性的B淋巴瘤細(xì)胞中過表達(dá)circEAF2時(shí)顯著促進(jìn)了細(xì)胞凋亡并增加了細(xì)胞對(duì)表柔比星敏感性,從而抑制了EB病毒+彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤的進(jìn)展;進(jìn)一步用小鼠EB病毒陽(yáng)性B淋巴瘤異種移植模型發(fā)現(xiàn),過表達(dá)circEAF2降低了Ki-67陽(yáng)性率、促進(jìn)了細(xì)胞凋亡并延緩了腫瘤生長(zhǎng)[12]。柯薩奇病毒B3(Coxsackie virus B3,CVB3)感染Hela細(xì)胞時(shí)顯著抑制hsa-cir-0000367(circSIAE)的表達(dá),深入研究發(fā)現(xiàn),circSIAE通過抑制miR-331-3p的表達(dá)并上調(diào)靶基因TAOK2的表達(dá),從而抑制CVB3在細(xì)胞中的復(fù)制和增殖[13]。

病毒感染時(shí)能利用宿主環(huán)狀RNA來促進(jìn)自身的感染和復(fù)制。如甲型流感病毒(Influenza A virus,IAV)感染時(shí)可上調(diào)細(xì)胞中circ-0050463的表達(dá),并通過調(diào)控circ-0050463/miR-33b-5p/EEF1A1軸來促進(jìn)自身的復(fù)制和感染[14]。在體外感染試驗(yàn)中,CVB3通過利用宿主circDDX17調(diào)節(jié)miR-1248/NOTCH2軸來促進(jìn)它在細(xì)胞中的復(fù)制[15]。

2.2 環(huán)狀RNA與細(xì)菌感染

細(xì)菌感染可引起宿主環(huán)狀RNA表達(dá)譜的改變。用F17大腸埃希氏菌感染綿羊羔羊,以感染后2 d是否腹瀉作為依據(jù),將感染羔羊分為拮抗組和敏感組,用RNA測(cè)序技術(shù)檢測(cè)拮抗組和敏感組羔羊脾臟中的環(huán)狀RNA表達(dá)譜,共鑒定出1942個(gè)circRNAs,其中兩組之間差異表達(dá)的circRNAs共有60個(gè),包含31個(gè)上調(diào)和29個(gè)下調(diào)的circRNAs[16]。用RNA測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌感染可導(dǎo)致巨噬細(xì)胞中61個(gè)circRNAs的表達(dá)顯著改變,其中22個(gè)circRNAs上調(diào)表達(dá),39個(gè)circRNAs下調(diào)表達(dá)[17]。

環(huán)狀RNA在宿主抗細(xì)菌感染的防御反應(yīng)中發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。結(jié)核分支桿菌感染導(dǎo)致結(jié)核病患者和THP-1細(xì)胞中hsa-circ-0001204的表達(dá)顯著下調(diào),過表達(dá)hsa-circ-0001204可抑制結(jié)核分支桿菌的存活并降低THP-1感染細(xì)胞的凋亡和炎癥反應(yīng)[18]。結(jié)核分支桿菌感染可抑制結(jié)核病患者和巨噬細(xì)胞中circ-WDR27的表達(dá),circ-WDR27通過靶向調(diào)節(jié)miR-370-3p/FSTL1軸來抑制結(jié)核分支桿菌在細(xì)胞中的存活并刺激感染細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子的釋放[19]。細(xì)菌可操縱宿主環(huán)狀RNA的表達(dá),幽門螺旋桿菌是導(dǎo)致胃癌的重要因素,幽門螺旋桿菌感染可上調(diào)胃癌細(xì)胞中circMAN1A2的表達(dá),且幽門螺旋桿菌通過操縱宿主circMAN1A2調(diào)控miR-1236-3p/MTA2軸,以促進(jìn)其誘導(dǎo)的胃癌進(jìn)展[20]。

2.3 環(huán)狀RNA與寄生蟲感染

寄生蟲感染可引起宿主環(huán)狀RNA表達(dá)譜的改變。用RNA測(cè)序技術(shù)分析了柔嫩艾美耳球蟲感染雞脾臟中的環(huán)狀RNA表達(dá)譜,與未感染對(duì)照組相比,柔嫩艾美耳球蟲感染引起40個(gè)circRNAs差異表達(dá),包含16個(gè)上調(diào)和24個(gè)下調(diào)的circRNAs[21]。從陽(yáng)泉市疾病預(yù)防控制中心采集3名利什曼原蟲感染患者和未感染健康個(gè)體的血清,用RNA測(cè)序檢測(cè)上述血清中的環(huán)狀RNA發(fā)現(xiàn),與健康對(duì)照血清相比,利什曼原蟲感染導(dǎo)致血清中4664個(gè)circRNAs顯著差異表達(dá),其中1931個(gè)circRNAs上調(diào),2733個(gè)circRNAs下調(diào)[22]。

環(huán)狀RNA在宿主應(yīng)對(duì)寄生蟲感染的免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。巨噬細(xì)胞是重要的免疫細(xì)胞。據(jù)報(bào)道,MMD基因在成熟巨噬細(xì)胞中表達(dá),并可能影響巨噬細(xì)胞的活化和分化。柔嫩艾美耳球蟲感染可顯著上調(diào)宿主circMGAT5的表達(dá),且circMGAT5可通過調(diào)控miR-132c-5p/MMD軸抑制巨噬細(xì)胞的活化和分化,表明circMGAT5在柔嫩艾美耳球蟲感染過程中參與巨噬細(xì)胞的激活且存在潛在的免疫調(diào)控作用[21]。

寄生蟲感染時(shí)能利用宿主環(huán)狀RNA來促進(jìn)自身的感染和復(fù)制。微小隱孢子蟲(CryptosporidiumParvum)感染時(shí)可引起宿主細(xì)胞中環(huán)狀RNA的顯著差異表達(dá),其中ciRS-7在C.parvum感染的HCT-8細(xì)胞中顯著上調(diào),且C.parvum可利用ciRS-7調(diào)節(jié)miR-1270/relA軸,進(jìn)而調(diào)控NF-κB信號(hào)通路,以促進(jìn)其在細(xì)胞中的增殖[23]。

2.4 環(huán)狀RNA與其他病原微生物感染

阿薩希毛孢子菌(Trichosporonasahii)是毛孢子菌屬中最常見的致病菌。研究表明,T.asahii感染導(dǎo)致THP-1細(xì)胞中46個(gè)circRNAs的表達(dá)顯著改變,包括19個(gè)上調(diào)和27個(gè)下調(diào)的circRNAs,其中hsa-circ-0065336在T.asahii感染后顯著上調(diào),進(jìn)一步構(gòu)建競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)hsa-circ-0065336可能通過海綿吸附miR-505-3p來促進(jìn)PTPN11基因的表達(dá)。Deng等證明PTPN11基因通過調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子的釋放以控制白色念珠菌的感染,表明hsa-circ-0065336/miR-505-3p/PTPN11軸在T.asahii感染過程中的潛在調(diào)控作用[24-25]。

用微陣列芯片技術(shù)檢測(cè)鼠肺炎沙眼衣原體感染HeLa細(xì)胞中的環(huán)狀RNA表達(dá)譜發(fā)現(xiàn),鼠肺炎沙眼衣原體導(dǎo)致HeLa細(xì)胞中834個(gè)circRNAs顯著差異表達(dá),包括391個(gè)上調(diào)和443個(gè)下調(diào)的circRNAs。對(duì)差異表達(dá)circRNAs進(jìn)行KEGG通路分析,發(fā)現(xiàn)它們參與了細(xì)胞凋亡和TNF信號(hào)通路[26]。研究證實(shí)沙眼衣原體感染時(shí)可抑制宿主細(xì)胞凋亡,提示沙眼衣原體感染時(shí)可能通過操縱宿主環(huán)狀RNA來影響宿主細(xì)胞的凋亡[27]。

3 小結(jié)

宿主環(huán)狀RNA在感染性疾病中發(fā)揮了重要的調(diào)控作用,其在應(yīng)對(duì)病原感染時(shí)可通過多種機(jī)制來影響病原的感染過程,如調(diào)節(jié)宿主基因或病原相關(guān)基因的表達(dá)。然而,病原微生物在感染時(shí)也能利用宿主環(huán)狀RNA來促進(jìn)自身的增殖和感染。因此,分析宿主環(huán)狀RNA在病原感染過程中參與調(diào)控宿主-病原相互作用的機(jī)制,有助于更深入地了解感染性疾病的病因,為感染性疾病的診斷和防控提供新思路。