尹艷玲,谷九龍

(重慶三峽職業(yè)學院,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、果蠅和哺乳動物等真核生物中。環(huán)狀RNA最早發(fā)現(xiàn)于1971年,被認為是由RNA錯誤剪接產(chǎn)生而不具備生物學功能。直到2010年,隨著高通量RNA測序(RNA sequencing,RNA-seq)技術(shù)的發(fā)展和應用,大量環(huán)狀RNA得到鑒定。2013年,Hansen和Memczak團隊發(fā)表了對環(huán)狀RNA ciRS-7功能研究的報道,自此環(huán)狀RNA逐漸成為非編碼RNA領(lǐng)域新的研究熱點。研究表明,環(huán)狀RNA具有穩(wěn)定、豐富、保守及組織和發(fā)育階段特異性表達等特性,在各種生理和疾病進展中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。本文就環(huán)狀RNA的生物學功能及其在病原感染中的作用進行了綜述,以期為闡明環(huán)狀RNA在病原感染中的作用機制提供參考,為感染性疾病的防控提供依據(jù)。

1 環(huán)狀RNA的生物學功能

1.1 充當miRNA海綿

環(huán)狀RNA最重要的生物學功能之一是發(fā)揮miRNA海綿或競爭性內(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,靶基因3′非翻譯區(qū)中與miRNA互補配對結(jié)合的序列稱為miRNA反應元件[1]。根據(jù)競爭性內(nèi)源RNA假說,環(huán)狀RNA序列中也含有miRNA反應元件,能與miRNA的靶基因競爭性結(jié)合miRNA,從而解除miRNA對其靶基因的抑制作用[2]。值得注意的是,一個環(huán)狀RNA通常具有不同的miRNAs反應元件或?qū)σ粋€miRNA有多個結(jié)合位點,一個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miRNAs反應元件,其中CDR1as包含70多個保守的miR-7反應元件。miR-7也能被CDR1as、circHIPK3、circ-U2AF1等多個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)復合物(circRNPs),從而影響蛋白質(zhì)的亞細胞定位、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蛋白與細胞周期蛋白A(cyclin A)及細胞周期蛋白E(cyclin E)結(jié)合,保證細胞周期正常運轉(zhuǎn);過表達circ-Foxo3可促進其與CDK2蛋白和p21蛋白形成三元復合物,阻礙CDK2蛋白和cyclin A、cyclinE的結(jié)合,從而抑制細胞周期的正常進展[4]。circNSUN2通過和IGF2BP2蛋白、HMGA2基因形成RNA-蛋白質(zhì)三元復合物,以增強HMGA2 mRNA的穩(wěn)定性[5]。

1.3 調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄

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

1.4 翻譯表達蛋白質(zhì)

傳統(tǒng)觀點認為,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)可介導環(huán)狀RNA的翻譯。目前研究比較廣泛的是IRES介導的環(huán)狀RNA翻譯機制,IRES可招募起始因子和核糖體來啟動mRNA非帽依賴性的翻譯起始,通過在環(huán)狀RNA序列中插入IRES序列可以實現(xiàn)對環(huán)狀RNA的翻譯;m6A介導環(huán)狀RNA翻譯的機制與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]。通過對環(huán)狀RNA序列進行分析發(fā)現(xiàn),大量環(huán)狀RNA序列中含有m6A和IRES元件。同時,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表達譜的改變,用測序技術(shù)檢測PEDV感染豬空腸上皮(IPEC-J2)細胞中的環(huán)狀RNA表達譜發(fā)現(xiàn),PEDV感染不同時間點(36 h、60 h、72 h)共引起IPEC-J2細胞中1078個circRNAs顯著差異表達,包括495個上調(diào)和583個下調(diào)的circRNAs[10]?；诳谔阋卟《?FMDV)感染豬腎(PK-15)細胞模型發(fā)現(xiàn),FMDV感染可導致PK-15細胞中1100個circRNAs的顯著差異表達,其中425個circRNAs上調(diào)表達,675個circRNAs下調(diào)表達[11]。

環(huán)狀RNA在宿主抗病毒感染的防御反應中發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。EB病毒(Epstein-barr virus,EBV)是導致淋巴瘤發(fā)生的重要影響因素,其與彌漫性大B細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細胞淋巴瘤病人腫瘤組織中circEAF2顯著下調(diào)表達;體外研究發(fā)現(xiàn),EB病毒陽性的B淋巴瘤細胞中過表達circEAF2時顯著促進了細胞凋亡并增加了細胞對表柔比星敏感性,從而抑制了EB病毒+彌漫性大B細胞淋巴瘤的進展;進一步用小鼠EB病毒陽性B淋巴瘤異種移植模型發(fā)現(xiàn),過表達circEAF2降低了Ki-67陽性率、促進了細胞凋亡并延緩了腫瘤生長[12]?？滤_奇病毒B3(Coxsackie virus B3,CVB3)感染Hela細胞時顯著抑制hsa-cir-0000367(circSIAE)的表達,深入研究發(fā)現(xiàn),circSIAE通過抑制miR-331-3p的表達并上調(diào)靶基因TAOK2的表達,從而抑制CVB3在細胞中的復制和增殖[13]。

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

2.2 環(huán)狀RNA與細菌感染

細菌感染可引起宿主環(huán)狀RNA表達譜的改變。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測序技術(shù)檢測拮抗組和敏感組羔羊脾臟中的環(huán)狀RNA表達譜,共鑒定出1942個circRNAs,其中兩組之間差異表達的circRNAs共有60個,包含31個上調(diào)和29個下調(diào)的circRNAs[16]。用RNA測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌感染可導致巨噬細胞中61個circRNAs的表達顯著改變,其中22個circRNAs上調(diào)表達,39個circRNAs下調(diào)表達[17]。

環(huán)狀RNA在宿主抗細菌感染的防御反應中發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。結(jié)核分支桿菌感染導致結(jié)核病患者和THP-1細胞中hsa-circ-0001204的表達顯著下調(diào),過表達hsa-circ-0001204可抑制結(jié)核分支桿菌的存活并降低THP-1感染細胞的凋亡和炎癥反應[18]。結(jié)核分支桿菌感染可抑制結(jié)核病患者和巨噬細胞中circ-WDR27的表達,circ-WDR27通過靶向調(diào)節(jié)miR-370-3p/FSTL1軸來抑制結(jié)核分支桿菌在細胞中的存活并刺激感染細胞中促炎細胞因子的釋放[19]。細菌可操縱宿主環(huán)狀RNA的表達,幽門螺旋桿菌是導致胃癌的重要因素,幽門螺旋桿菌感染可上調(diào)胃癌細胞中circMAN1A2的表達,且幽門螺旋桿菌通過操縱宿主circMAN1A2調(diào)控miR-1236-3p/MTA2軸,以促進其誘導的胃癌進展[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表達譜的改變。用RNA測序技術(shù)分析了柔嫩艾美耳球蟲感染雞脾臟中的環(huán)狀RNA表達譜,與未感染對照組相比,柔嫩艾美耳球蟲感染引起40個circRNAs差異表達,包含16個上調(diào)和24個下調(diào)的circRNAs[21]。從陽泉市疾病預防控制中心采集3名利什曼原蟲感染患者和未感染健康個體的血清,用RNA測序檢測上述血清中的環(huán)狀RNA發(fā)現(xiàn),與健康對照血清相比,利什曼原蟲感染導致血清中4664個circRNAs顯著差異表達,其中1931個circRNAs上調(diào),2733個circRNAs下調(diào)[22]。

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

寄生蟲感染時能利用宿主環(huán)狀RNA來促進自身的感染和復制。微小隱孢子蟲(CryptosporidiumParvum)感染時可引起宿主細胞中環(huán)狀RNA的顯著差異表達,其中ciRS-7在C.parvum感染的HCT-8細胞中顯著上調(diào),且C.parvum可利用ciRS-7調(diào)節(jié)miR-1270/relA軸,進而調(diào)控NF-κB信號通路,以促進其在細胞中的增殖[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感染導致THP-1細胞中46個circRNAs的表達顯著改變,包括19個上調(diào)和27個下調(diào)的circRNAs,其中hsa-circ-0065336在T.asahii感染后顯著上調(diào),進一步構(gòu)建競爭性內(nèi)源RNA網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)hsa-circ-0065336可能通過海綿吸附miR-505-3p來促進PTPN11基因的表達。Deng等證明PTPN11基因通過調(diào)節(jié)促炎細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)檢測鼠肺炎沙眼衣原體感染HeLa細胞中的環(huán)狀RNA表達譜發(fā)現(xiàn),鼠肺炎沙眼衣原體導致HeLa細胞中834個circRNAs顯著差異表達,包括391個上調(diào)和443個下調(diào)的circRNAs。對差異表達circRNAs進行KEGG通路分析,發(fā)現(xiàn)它們參與了細胞凋亡和TNF信號通路[26]。研究證實沙眼衣原體感染時可抑制宿主細胞凋亡,提示沙眼衣原體感染時可能通過操縱宿主環(huán)狀RNA來影響宿主細胞的凋亡[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,其在應對病原感染時可通過多種機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。然而,病原微生物在感染時也能利用宿主環(huán)狀RNA來促進自身的增殖和感染。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。