【干货分享】解锁生命密码：circRNA的神秘世界-编程阁

在这个看似静态的遗传密码背后，一种新发现的RNA分子正悄然重塑我们对基因调控的认知，它呈环状、不易降解，在细胞中扮演着比想象中更重要的角色。

01环状RNA的发现

20世纪70年代，科学家首次在植物病原体中发现了一种单链、共价闭合的RNA分子，这是环状RNA的最早记录。随后在人类细胞中也观察到了类似结构。但直到近年高通量测序技术的发展，这些曾被忽视的"环形分子"才真正进入科研视野。

与传统的线性RNA不同，环状RNA没有5'端帽和3'尾结构，呈闭合环状。这种独特结构赋予它更强的稳定性，对RNaseR等核酶具有更强抵抗力，半衰期更长。

如今我们知道，环状RNA是人体转录组的一个普遍特征，在病毒、原核生物到哺乳动物中广泛存在。它不再是当初被误认为的"剪接错误"，而是细胞调控网络中的重要参与者。

02环状RNA生成之谜

环状RNA是如何形成的呢？这与传统线性RNA的生物发生有着本质区别。

线性mRNA通过经典剪接方式产生，而环状RNA则通过一种称为反向剪接的特殊方式生成。在这个过程中，一个外显子的3'端与其自身或上游外显子的5'端连接，形成一个共价闭合的环状结构。

图1：circRNA的生物发生过程（Zhouetal.,2020）。

目前学界提出两种生成模型。在套索模型中，反向剪接的外显子被跳过并挤出，形成内含子套索，进一步反向剪接形成环状RNA。在直接模型中，反向剪接先发生形成环状RNA，留下未成熟的线性RNA。

环状RNA的产生受多种因素调控。顺式元件如两侧内含子中的互补序列，以及反式因子如RNA结合蛋白都参与其中。最新研究发现，m6A修饰也在环状RNA生成中发挥关键作用。

03环状RNA功能的多面性

1）调控亲本基因转录

环状RNA可以回到其生成位点，通过与宿主基因的DNA形成R-loop结构，引起转录暂停或终止。这种机制通常用于上调那些跳过特定外显子或被截短的转录本，从而改变基因产物。

2）增强亲本基因表达

一类特殊的、保留内含子的环状RNA，能够与细胞核内的U1 snRNP结合，进而招募RNA聚合酶II到亲本基因的启动子区域，从而正反馈激活亲本基因自身的转录。

3）充当miRNA海绵

这是环状RNA最经典的功能。它能像“海绵”一样，通过碱基互补配对吸附大量的miRNA，阻止这些miRNA去抑制其靶mRNA。这样，被miRNA靶向的基因表达水平就会被上调。

4）直接与蛋白质相互作用

环状RNA可以作为蛋白质的结合平台、诱饵或支架，直接与各种蛋白质（如转录因子、剪接因子、酶等）结合，从而调控这些蛋白质的功能、稳定性或定位，这是其发挥生物学功能的核心机制之一。

5）IRES介导的翻译

部分环状RNA序列中含有内部核糖体进入位点。即使没有传统的5‘帽结构，IRES也能直接招募核糖体，启动翻译过程，产生具有特定功能的多肽或蛋白质。

6）m6A修饰驱动的翻译

含有N6-甲基腺嘌呤修饰的环状RNA，可以被阅读蛋白YTHDF3识别。YTHDF3随后会募集翻译起始因子eIF4G2，共同启动翻译。这个过程受到甲基化“书写”酶METTL3/14的促进，而被“擦除”酶FTO抑制。

图2 circRNA的作用（Zhou et al., 2020）。

04环状RNA与蛋白质的互动机制

环状RNA的真正魅力在于它与蛋白质的相互作用。文献中将circRNA与蛋白质的相互作用系统分为五大模式，每种模式都有其独特的分子机制和生物学效应。

模式一：调节蛋白质间相互作用的桥梁

这是最经典的circRNA-蛋白质作用模式。circRNA可以同时结合两个蛋白质，改变它们之间的相互作用强度。

增强相互作用：circFoxo3是这一模式的典型代表。研究发现，circFoxo3能同时结合p53肿瘤抑制蛋白和其负调节因子MDM2。通过这种三方结合，circFoxo3显著增强了p53与MDM2的相互作用，促进了p53的泛素化降解。同一circRNA还可以结合p21和CDK2，增强它们的结合，从而抑制CDK2的激酶活性，阻止细胞周期进展[93]。

破坏相互作用：另一方面，circRNA也可以拆散原有的蛋白质复合物。circCcnb1能够同时结合细胞周期蛋白B1和CDK1，形成大型三元复合物，反而破坏了Ccnb1与CDK1之间的天然结合，从而抑制它们的核转位和细胞周期进程。

模式二：蛋白质功能的阻断者

在这一模式中，circRNA像"分子诱饵"一样结合单个蛋白质，阻断其正常功能。根据阻断的目标不同，又分为三个子类型。

阻断DNA结合：circRNA可以阻止转录因子结合其靶DNA。circHuR结合CCHC型锌指核酸结合蛋白，阻止其结合人类抗原R的启动子，从而下调HuR表达，抑制肿瘤。类似地，circRNA-cGAS拮抗剂结合DNA感受器cGAS，防止其结合自身DNA，避免自身免疫反应。

阻断RNA结合：circRNA还能阻断RNA结合蛋白与其靶RNA的结合。circPABPN1结合HuR蛋白，阻止HuR稳定PABPN1mRNA，从而抑制细胞增殖。circSMARCA5则结合剪接因子SRSF1，抑制其调节VEGFA前体mRNA剪接的功能。

阻断蛋白质间相互作用：circGSK3β促进食管鳞状细胞癌转移的机制就是结合GSK3β，阻断其对β-连环蛋白的磷酸化作用，从而增强β-连环蛋白信号通路。

模式三：染色质调控的指挥者

环状RNA可以将各种调控蛋白招募到染色质上，精细调节基因表达。

招募转录激活因子：circRHOT1在肝癌中高表达，它能招募TIP60到NR2F6基因启动子区域，激活该基因转录，促进癌症进展。在神经病理性疼痛中，circAnks1a招募YBX1到VEGFB启动子，激活转录，增强神经元兴奋性。

招募表观遗传修饰酶：circFECR1招募TET1脱甲基酶到其亲本基因FLI1启动子，诱导DNA去甲基化，激活基因表达，促进乳腺癌侵袭。相反，circAGFG1和circLRP6招募EZH2甲基转移酶，抑制靶基因表达。

招募染色质重塑复合物：circDONSON通过招募核小体重塑因子到SOX4启动子，激活转录，促进胃癌进展。而circKcnt2则招募核小体重塑去乙酰化酶复合物抑制Batf转录，缓解结肠炎。

模式四：mRNA命运的三方仲裁者

circRNA可以与蛋白质和mRNA形成稳定的三元复合物，调控mRNA的稳定性和翻译。

稳定mRNA：circNSUN2与IGF2BP2蛋白和HMGA2 mRNA形成复合物，显著增强HMGA2 mRNA的稳定性，促进上皮-间质转化和结直肠癌侵袭。同样，circPOK与ILF2/3复合物结合，稳定IL-6和VEGF mRNA。

调控翻译：circMALAT1形成circRNA-蛋白质-mRNA三元复合物，像"刹车"一样阻碍核糖体在mRNA上的前进，抑制翻译。而circYAP结合YAP mRNA和翻译起始因子，抑制YAP翻译。

模式五：蛋白质定位的导航员

circRNA还能引导蛋白质在细胞内的定位和转运。

核质穿梭调控：circERBB2增加增殖相关蛋白PA2G4的核定位，促进PA2G4与PolI转录因子的相互作用，增强核糖体DNA转录。

膜定位引导：circSKA3招募Tks5至细胞膜，促进侵袭伪足形成。circSKA3与肌动蛋白、Tks5和整合素β1共定位，形成促进癌细胞侵袭的复合物。

线粒体定位辅助：线粒体编码的circRNA mecciND1和mecciND5作为分子伴侣，帮助RPA32和hnRNPA1进入线粒体，通过与线粒体外膜转运酶相互作用促进蛋白质输入。

图3 环状RNA与蛋白质相互作用的五种核心模式（Zhou et al., 2020）。

05研究挑战与未来展望

尽管环状RNA研究取得显著进展，但仍面临诸多挑战。环状RNA-蛋白质相互作用的具体机制、结构基础尚未完全阐明。环状RNA的低丰度、特殊结构也给实验技术带来挑战。研究者正开发新方法研究环状RNA，如通过靶向侧翼内含子互补序列使用CRISPR/Cas9技术构建环状RNA敲除小鼠，而不影响其亲本基因。这种策略为功能研究和转化应用提供了便利。随着技术进步和机制深入，环状RNA有望在疾病诊断和治疗中发挥重要作用。从基础研究到临床应用的道路仍然漫长，但环状RNA的神秘世界正逐渐向我们敞开大门。