【circRNA】circRNA简介（1）

cirRNA是非编码RNA中的一大类，它由一种非经典剪接方式——反向剪接(backsplicing)产生；当反向剪接发生时，下游剪接位点与上游剪接位点共价连接闭合。虽然类病毒不是由反向剪接机制产生的，但是它们是40多年前首次发现的环状RNA分子。几年后，通过电子显微镜在真核细胞系的细胞质组分中观察到circRNA。然而当时它们主要被认为是由异常剪接事件产生的“垃圾”，只有来自性别决定区Y（Sry）基因的睾丸特异性circRNA被认为可能具有功能（在小鼠睾丸中）。近年来，高通量RNA测序（RNA-seq）和circRNA特异性生物信息学算法已经在真核生物中鉴定了数千种circRNA，包括真菌，原生生物，植物，蠕虫，鱼类，昆虫和哺乳动物，并且发现它们具有组织特定的表达模式。

 

其实以前我们实验室主要做lncRNA，偶尔也做一些circRNA。最近这2年，手头有几个关于circRNA的项目，所以趁空闲就准备系统学习一下circRNA的知识。

 

绝大多数cirRNA由已知的蛋白质编码基因表达，由单个外显子或多个外显子构成。由线性RNA的所有基本类型的可变剪接产生的产物都可以在circRNA中发现，而一些circRNA包含的外显子在线性转录本中却没有。尽管缺乏聚腺苷酸化（poly（A））和加帽，但circRNA通常定位于细胞质。然而，内部的内含子保留可能导致产生含来自外显子和内含子序列的circRNA（称为exon-intron circRNA），并且在经典的剪接过程中内含子套索的脱支失败可导致环状内含子RNA（ciRNA）产生；exon-intron circRNA和ciRNAs位于细胞核中，这些circRNA通过与U1小核核糖核蛋白（snRNP;例如circEIF3J和circPAIP2）的相互作用或通过正调节RNA聚合酶II介导的转录（Pol II）促进其亲本基因的转录（如ci-ankrd52）。

虽然反向剪接一般不如线性剪接的效率高，但是circRNA具有很高的稳定性，可以以时间调节的方式在特定的细胞类型中累积。这种高稳定性可能是它们共价闭合的环结构保护这些分子免受核酸外切酶介导的降解的结果。尽管circRNA通常表达的水平低于其线性对应物，但对于许多基因而言，circRNA是主要的转录物，并且大多数产生circRNA的基因座可能存在经典剪接和反向剪接之间的竞争。

在动物中发现，大量的circRNA在神经发生过程中被上调，并且一些circRNA在突触中富集。然而，尽管已经提出了circRNA在发育过程中神经元中的许多不同功能和作用机制，但是是否一般终末分化的细胞（例如神经系统中的细胞）更活跃地产生circRNA，又或者由于circRNA的高稳定性导致其在非增殖细胞中累积，还不清楚。与神经组织相比，circRNA通常在癌症和其他细胞增殖率高的疾病中下调，可能是因为它们在达到稳定水平之前被增殖稀释。迄今为止，circRNA已经涉及多种人类疾病，包括糖尿病，神经系统疾病，心血管疾病，慢性炎症性疾病和癌症，并且circRNA在衰老期间累积。

模式植物水稻和拟南芥转录组研究显示环状RNA广泛分布于植物中，同时植物环状RNA与动物一样存在特定的时空表达模式；此外，植物环状RNA与动物相比具有一些明显的特征，如非non-GT/AG剪切信号的环状RNA大量存在。

但是从植物里面大多数circRNA发表的文章来看，很多都还处在鉴定阶段，真正功能研究比较好的例子还很少，比lncRNA的研究还滞后。

circRNA形成机制

1. 剪切子依赖的生物合成途径

实验表明，外显子环化效率依赖于外显子附近出现的经典剪切位点，通常反向剪切效率要低于同位置的线性转录本，这可能是由于剪切子在反向剪切位点位置上的组装不利于下游5'端和3'端的连接（1a），但是这些剪切子如何参与该过程并不明确。

2. 顺式作用元件促进的生物合成途径

大多数的circRNA包含2、3个外显子，这看似除了剪切位点以外没有特定的外显子序列用于反向剪切；此外，同一个基因通过可变剪切能够产生多个circRNA（1b）,但是需要注意的是反向剪切可能对外显子的最小长度有限制。在这些过程中，环化的外显子侧翼内含子中频繁的出现调控元件，例如形成RNA双链结构将显著增强反向剪切（1b），反向剪切的效率还受到侧翼内含子或包含在内的内含子序列与RNA配对过程竞争的影响（1c）。另外，内含子序列中短的顺式作用元件能够识别RNA结合蛋白（PBRs）从而促进外显子环化。

3. RNA结合蛋白介导的调控合成途径

除了顺式作用元件，实验表明，过表达RBPs或者在侧翼内含子序列中添加RNA蛋白结合位点能够促进circRNA的表达，例如Mbl（1d）、QKI（1e）。同样也存在抑止circRNA表达的蛋白Adenosine deaminase 1 acting on RNA (ADAR1)，主要通过adenosine-to-inosine(A-to-I) 编辑途径减少互补配对、破坏RNA pairs来减少反向加剪切过程（1f）。最近的研究表明，黑腹果蝇Laccase2基因反向剪接过程受内含子重复片段、多种hnRNP（异质核核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein））和SR（Ser / Arg）蛋白共同调控。

CircRNA的调控功能

1. miRNA海绵

实验表明，在细胞质中circRNA以竞争性的结合miRNA的方式来调控基因表达。支撑这个模型最好的例子就是ciRS-7 (circular RNA sponge for miR-7)，ciRS-7由人类和小鼠大脑中cerebellardegeneration related 1 (CDR1);基因转录而来(2a)，包含超过60个miR-7结合位点。通用在小鼠中，sex-determining region Y (circSRY); 包含16个miR-138。但是在研究中人和小鼠circRNA中只有很小的一部分包含miRNA靶位点，这指出大多数circRNA可能不起miRNA海绵的作用。

2. 调控转录

虽然大多数circRNA定位于细胞质中，但是包含内含子的circRNA更可能被限制在人体细胞的细胞核中发挥作用，例如circular intronic RNAs (ciRNAs)通过与延长的Pol II复合物相互作用促进转录过程(2b)，或者exon–introncircRNAs (EIciRNAs能够与U1 snRNP (small nuclear ribonucleoprotein) 、编码基因的启动子相互互作调控转录(2c)。

3. 影响剪切过程

CircRNA通常来自蛋白质编码基因的中间外显子。因此，circRNA的加工可能影响前体mRNA的可变剪接，可能导致基因表达及环化的外显子改变(2d)。外显子跳跃是人前mRNA中最常见的可变剪接事件，在理论上，circRNA形成应当与线性mRNA中的外显子跳跃正相关(2d)，然而，并非所有跳过的外显子都能产生circRNAs，这表明其他调节因子可能会影响外显子跳跃后的外显子环化过程。

 

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