環(huán)狀RNA在人類生殖妊娠方面的研究進(jìn)展
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摘 要:環(huán)狀RNA(circRNA)是一種自然存在于生物體內(nèi),呈共價閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性非編碼RNA(ncRNA),具有調(diào)控基因表達(dá)的重要生物學(xué)作用。其通過作為微小RNA(miRNA)在環(huán)狀RNA-miRNA-mRNA軸中發(fā)揮作用,調(diào)節(jié)可變剪接以及親本基因表達(dá)。近年來隨著技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)了具有獨特生物學(xué)特性的環(huán)狀RNA在臨床疾病預(yù)測、早期干預(yù)及診斷治療等方面具有廣闊的發(fā)展空間,成為近年的研究熱點。但環(huán)狀RNA在婦產(chǎn)科非腫瘤方面研究相對較少,故本文簡要介紹環(huán)狀RNA并對其在人類生殖與妊娠方面非腫瘤相關(guān)疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。
關(guān)鍵詞:環(huán)狀RNA 生殖 妊娠 復(fù)發(fā)性流產(chǎn) 產(chǎn)前診斷
新進(jìn)入人們視野的環(huán)狀RNA廣泛存在于真核細(xì)胞質(zhì)中,是具有調(diào)控基因表達(dá)作用的內(nèi)源性非編碼RNA分子。不同于以線性拼接方式形成的RNA,環(huán)狀RNA呈閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu),無5′端帽子和3′端尾巴。人們最早從病毒及類病毒中得到對環(huán)狀RNA認(rèn)知[1],但早期的研究者認(rèn)為環(huán)狀RNA是RNA產(chǎn)生過程中發(fā)生了錯誤的剪接而形成的,無明確的生物學(xué)功能,從而使其未得到重視和充分的研究[2]。隨著近年來高通量測序技術(shù)的發(fā)展,環(huán)狀RNA不斷從各種真核生物細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)[3-4],使人們不斷對其功能進(jìn)行深入研究。因其特殊的生物學(xué)特性,環(huán)狀RNA在疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制及早期診斷方面成為近年來的熱點研究項目[5]。目前環(huán)狀RNA在人類生殖與妊娠方面的相關(guān)研究較腫瘤相關(guān)疾病要少的多,因此本文將簡要介紹環(huán)狀RNA的形成、特性及生物學(xué)功能,并重點著眼于環(huán)狀RNA在不孕癥輔助生殖、復(fù)發(fā)性流產(chǎn)(recurrent spontaneous abortion,RSA)、妊娠合并癥及產(chǎn)前診斷中的相關(guān)研究及應(yīng)用前景。
1 環(huán)狀RNA簡介1.1 環(huán)狀RNA的形成
環(huán)狀RNA的產(chǎn)生機(jī)制及過程尚未徹底明確,其目前主要可分為五類,包括外顯子來源的環(huán)狀RNA(ecircRNAs)、內(nèi)含子來源的環(huán)狀RNA(ElciRNAs)、環(huán)狀基因組間RNA(包括類病毒和丁型肝炎病毒)、RNA加工過程中的環(huán)狀RNA中間產(chǎn)物(tRNA或r RNA加工過程中的中間體)、具有持家基因功能的環(huán)狀RNA(ciRNAs)(RnaseP或某些snoRNA)[6]。在環(huán)狀RNA的形成機(jī)制上,最早由Jeck等[7]提出RNA成環(huán)模型,即套索驅(qū)動環(huán)化和固有配對環(huán)化。環(huán)狀RNA分子主要是由反向拼接形成,即下游外顯子與上游外顯子反方向拼接在一起形成環(huán)狀轉(zhuǎn)錄物。此外,環(huán)狀RNA還有另一種形成模式,即依賴于RNA結(jié)合蛋白。剪接因子Quaking(QKI)[8]和Muscleblind(MBL)[9],作為連接2個側(cè)翼內(nèi)含子相互靠近的橋梁促進(jìn)環(huán)狀RNA形成。因此推測RNA結(jié)合蛋白在RNA環(huán)化過程中起重要作用,通過互補(bǔ)序列橋梁和抑制典型拼接促進(jìn)環(huán)化。以上為可能性較大的學(xué)說,環(huán)狀RNA具體形成機(jī)制仍需進(jìn)一步研究證實。
1.2 環(huán)狀RNA的特征
目前發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNA的特征包括以下幾個方面。(1)高豐度:與線性mRNA相比,環(huán)狀RNA是分布在人類細(xì)胞中最普遍的分子。(2)穩(wěn)定性:環(huán)狀RNA是共價閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu),因此可避免被脫支酶和核酸內(nèi)切酶降解。(3)物種保守性:環(huán)狀RNA在不同物種中具有進(jìn)化過程的高度保守性[10]。(4)環(huán)狀RNA在不同組織及發(fā)育的不同階段具有特異性[11]。(5)環(huán)狀RNA在真核生物中主要分布于細(xì)胞核,且可能在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后過程中調(diào)節(jié)基因的表達(dá),ecirc RNA主要分布于細(xì)胞質(zhì)中,可能與miRNA的功能特性有所重疊[12]。(6)某些環(huán)狀RNA包含miRNA拼接位點,可競爭性抑制內(nèi)源性miRNA的調(diào)節(jié)活動[7]。
1.3 環(huán)狀RNA的生物學(xué)功能
環(huán)狀RNA在真核細(xì)胞中可與多種分子相互作用,其生物學(xué)功能可概括為以下五種:(1)部分環(huán)狀RNA可充當(dāng)miRNA競爭結(jié)合miRNA受體,降低miRNA對靶基因的抑制作用,從而調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)水平[13]。(2)環(huán)狀RNA可與m RNA部分堿基配對,直接調(diào)控m RNA,也可通過特異的RNA-RNA途徑來調(diào)控轉(zhuǎn)錄過程[14]。(3)環(huán)狀RNA可通過調(diào)節(jié)親本基因的表達(dá)參與生物學(xué)過程的調(diào)控。外顯子來源的ecirc R-NA及內(nèi)含子來源的ElciRNAs主要位于細(xì)胞核內(nèi),通過聚合酶Ⅱ和小核糖核蛋白相互作用調(diào)控親本基因轉(zhuǎn)錄。(4)環(huán)狀RNA可通過與蛋白結(jié)合抑制蛋白活性、募集蛋白質(zhì)復(fù)合體的組分或調(diào)控蛋白質(zhì)的活性。Du等[15]發(fā)現(xiàn)環(huán)狀RNA-Foxo3可與細(xì)胞周期依賴激酶2(CDK2)形成復(fù)合體,抑制CDK2對細(xì)胞分裂的促進(jìn)作用,阻礙細(xì)胞周期進(jìn)展。(5)環(huán)狀RNA可翻譯為蛋白質(zhì)。有研究證明[16],哺乳動物或人類細(xì)胞中的環(huán)狀RNA可以不依賴任何核糖體進(jìn)入位點、Poly A尾或帽子結(jié)構(gòu),以滾環(huán)式擴(kuò)增,翻譯出足量的蛋白產(chǎn)物。
2 環(huán)狀RNA與人類生殖隨著人們生活壓力、環(huán)境污染及飲食安全問題等的加劇,不孕不育的發(fā)病率在逐年上升,生殖醫(yī)學(xué)也隨之蓬勃發(fā)展,但也有許多治療困難或多次移植失敗的病例,為此了解在環(huán)狀RNA領(lǐng)域與人類生殖疾病,如不孕癥、RSA的相關(guān)研究進(jìn)展,從中可能找出提高成功率的方法。不孕癥的定義是夫婦有規(guī)律性生活、未采取任何避孕措施至少1年未受孕。不孕癥的發(fā)生受許多因素影響,這里只簡要介紹在環(huán)狀RNA領(lǐng)域研究較多的不孕癥相關(guān)因素。
2.1 環(huán)狀RNA與女性不孕
可明確的女性不孕原因較多與環(huán)狀RNA研究相關(guān)的疾病有多囊卵巢綜合征(PCOS)、子宮內(nèi)膜異位癥(EMs)等。Che等[17]的研究在20例PCOS患者中篩選出與對照組表達(dá)差異明顯的4個環(huán)狀RNA,并發(fā)現(xiàn)其相應(yīng)的microRNA結(jié)合位點與PCOS疾病相關(guān)。Ma等[18]檢測出在PCOS患者的卵丘細(xì)胞中有286個環(huán)狀RNA差異表達(dá),斯皮爾曼等級相關(guān)(Spearman rank correlation)系數(shù)表明PCOS組中血清睪酮水平與hsa_circ_0043533和hsa_circ_0097636的表達(dá)成正相關(guān)。分析顯示環(huán)狀RNA可能參與細(xì)胞周期、卵母細(xì)胞減數(shù)分裂、孕酮介導(dǎo)的卵母細(xì)胞成熟、FOXO信號通路及甘油磷脂代謝等。Zhang等[19]則發(fā)現(xiàn)PCOS組顆粒細(xì)胞中27個顯著差異表達(dá)的環(huán)狀RNA,在涉及炎癥、增殖和與血管內(nèi)皮生長因子相關(guān)的信號傳導(dǎo)途徑中發(fā)揮作用,表明這些環(huán)狀RNA參與了PCOS的發(fā)生發(fā)展,并存在作為PCOS生物標(biāo)志物的可能。
EMs是指因內(nèi)膜細(xì)胞種植到子宮腔以外的部位而導(dǎo)致的以痛經(jīng)和不孕為表現(xiàn)的一種婦科疾病,其發(fā)病機(jī)制目前不明。有研究[20]對4對卵巢巧克力囊腫及子宮在位內(nèi)膜檢測,篩選出553個差異表達(dá)的環(huán)狀RNA,涉及9個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能與EMs的發(fā)病機(jī)制相關(guān)。Wang等[21]的研究結(jié)果篩選發(fā)現(xiàn)294個環(huán)狀RNA差異表達(dá),功能分析揭示了它們與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路和磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B(PI3K-AKT)信號通路等的調(diào)控相關(guān),可能是該病發(fā)病機(jī)制及治療靶點之一。還有研究[22]發(fā)現(xiàn)hsa_circ_0067301/miR-141-5p/Notch-1軸在EMs的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用,提示了EMs發(fā)病機(jī)制的分子基础。臨床輔助生殖中胚胎的反復(fù)移植失敗亦是不容忽視的問題之一,已有研究[23]以環(huán)狀RNA微陣列技術(shù)篩選出反復(fù)植入失敗的女性子宮內(nèi)膜活檢組織中的環(huán)狀RNA表達(dá)譜,結(jié)果表明,有856種環(huán)狀RNA有顯著表達(dá)差異,其中hsa_circ_070 616,hsa_circ_103716等七種最為明顯,有成為臨床輔助生殖提高移植成功率新標(biāo)志物的價值。
此外亦有女性生殖系統(tǒng)結(jié)核等,關(guān)于結(jié)核病與環(huán)狀RNA的研究已有多篇文獻(xiàn)報道[24-26]人外周血單個核細(xì)胞中表達(dá)的hsa_circ_0005836、hsa_circ_001937等數(shù)個具有生物標(biāo)志物前景的環(huán)狀RNA,但未明確提到女性生殖器結(jié)核,仍需進(jìn)一步研究。
2.2 環(huán)狀RNA與男性不育
導(dǎo)致男性不育的因素很多,包括先天性的睪丸發(fā)育不良、睪丸炎、輸精管梗阻、睪丸萎縮、免疫性不育、內(nèi)分泌失調(diào)等,除上述因素外,精子畸形、無精、少弱精等更為常見。Dong等[27]通過高通量測序技術(shù)揭示了人類睪丸組織中的環(huán)狀RNA譜,對首次發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生環(huán)狀RNA的1017個宿主基因進(jìn)行基因本體論(gene ontology,GO)分析,結(jié)果顯示,這些基因與精子發(fā)生、精子運動、減數(shù)分裂細(xì)胞周期和受精作用等過程相關(guān)。李穎[28]的研究顯示,約83%精子環(huán)狀RNA為外顯子來源環(huán)狀RNA,而差異表達(dá)的環(huán)狀RNA在精子鞭毛、鞭毛軸絲、甲基轉(zhuǎn)移酶活性等方面富集較多。研究篩選出了hsa_circ_MYO9B、hsa_circ_WHsci(8)等五條環(huán)狀RNA,檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)hsa_circ_WHSCI(8)、hsa_circ_WHSCI(6)、hsa_circ_CAMSAP1三種環(huán)狀RNA在弱精組中的表達(dá)水平顯著上調(diào)。另有學(xué)者[29]研究發(fā)現(xiàn),DAZ(Deleted in Azoospermia)家族基因中Boule基因上產(chǎn)生的環(huán)狀RNA可能參與調(diào)控Boule的生殖特異表達(dá),從而影響男性的少弱精癥。環(huán)狀RNA的高穩(wěn)定性使其在精漿等體液中可以被檢測,未來具有成為男性不育疾病標(biāo)志物的臨床價值。
2.3 環(huán)狀RNA與RSA
RSA是生殖醫(yī)學(xué)研究中的重要課題之一,美國生殖醫(yī)學(xué)學(xué)會將≥2次的妊娠失敗定義為RSA[30]。導(dǎo)致RSA的因素并不完全明確,基因表達(dá)異常是發(fā)生RSA的重要因素,故環(huán)狀RNA在RSA的病因及發(fā)病機(jī)制的深入研究中有著重要的作用。Qian等[31]對RSA孕婦與正常孕婦的絨毛膜組織中的環(huán)狀RNA表達(dá)進(jìn)行差異性分析,結(jié)果顯示,hsa_circ_104948、hsa_circ_104547等8種環(huán)狀RNA在兩組之間有顯著的差異性表達(dá),進(jìn)一步分析表明,絨毛中環(huán)狀RNA的差異性表達(dá)可能與其充當(dāng)miRNA調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)水平的功能相關(guān)。目前對與RSA相關(guān)的環(huán)狀RNA的研究較少,未來仍有廣闊的研究空間。
3 環(huán)狀RNA與妊娠3.1 妊娠合并癥
臨床產(chǎn)科常見的妊娠合并癥有妊娠期糖尿?。╣estation diabetes mellitus,GDM)、妊娠合并高血壓疾病、胎盤異常等,嚴(yán)重的妊娠合并癥可導(dǎo)致不良的妊娠結(jié)局,甚至威脅母兒生命。以環(huán)狀RNA的生物學(xué)特性在未來有可能用于早期預(yù)測妊娠合并癥的發(fā)生,從而指導(dǎo)臨床工作者得以提前預(yù)防或干預(yù)。子癇前期(preeclampsia,PE)具有發(fā)病迅速、病情進(jìn)展快等特點,在妊娠合并高血壓疾病中是造成不良母兒結(jié)局較多的一種[32],有多項研究[33-35]從患有PE孕婦的血細(xì)胞或胎盤組織中篩選與正常孕婦組表達(dá)差異較大的環(huán)狀RNA,而Zhang等[34]發(fā)現(xiàn)12種環(huán)狀RNA呈現(xiàn)明顯的差異性表達(dá),其中hsa_circ_101222的表達(dá)差異更是高達(dá)10倍左右,提示其可能作為PE的診斷標(biāo)志物以輔助臨床,但Prefumo[36]也提出距離環(huán)狀RNA正式進(jìn)入臨床作為檢測指標(biāo)還有很多的困難需要克服。
GDM是指妊娠期首次發(fā)生任何程度的由糖耐量異常引起的高血糖,在中國的發(fā)病率高達(dá)14.8%[37],其具體原因及發(fā)病機(jī)制尚未明確,可能與遺傳、胰島素分泌等因素有關(guān)。近年有研究[38]通過檢測孕婦外周血中環(huán)狀RNA豐度表達(dá)發(fā)現(xiàn),GDM孕婦和正常孕婦有2678個差異表達(dá)倍數(shù)>2.0的環(huán)狀RNA,其中hsa_circ_0042852、hsa_circ_0004001兩種環(huán)狀RNA及其參與的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與調(diào)節(jié)能量代謝的信號通路相關(guān),提示了環(huán)狀RNA可能參與調(diào)控GDM發(fā)病機(jī)制的某些代謝環(huán)節(jié)。Yan等[39]發(fā)現(xiàn)GDM孕婦胎盤絨毛中227種環(huán)狀RNA表達(dá)顯著增高,255種明顯降低,并存在大量的GDM發(fā)病相關(guān)的miRNA結(jié)合位點,提示環(huán)狀RNA的異常表達(dá)可能與GDM的發(fā)生相關(guān)。還有研究[40]檢測出GDM孕婦胎盤組織中有46個環(huán)狀RNA差異表達(dá)明顯,分析結(jié)果提示這些環(huán)狀RNA的來源基因與內(nèi)分泌抵抗以及晚期糖基化終產(chǎn)物受體通路(AGE-RAGE)有關(guān),在多種糖尿病并發(fā)癥中發(fā)揮重要作用,并與GDM的不良妊娠結(jié)局密切相關(guān)。
3.2 產(chǎn)前診斷
胚胎發(fā)育是一個復(fù)雜的過程,環(huán)狀RNA在胚胎發(fā)育過程中可能具有獨特而重要的功能,可作為研究胚胎發(fā)育不同階段的標(biāo)志物。Xu等[41]的研究系統(tǒng)檢測出了胎兒與成人各類組織中含有的環(huán)狀RNA表達(dá)水平并不相同。而在人類胎兒腦部的發(fā)育期間,環(huán)狀RNA在某些特殊區(qū)域富集較為明顯[42]。在臨床應(yīng)用中,隨著轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)技術(shù)的發(fā)展,以體液中的環(huán)狀RNA作為檢測指標(biāo)具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿翱刹僮餍?。目前?yīng)用廣泛的產(chǎn)前篩查主要使用全基因組測序?qū)W方法來研究人類三體征(包括13-三體、18-三體和21-三體綜合征),以鑒定這些特定非整倍性染色體中的每一個基因表達(dá)特征。林南新等[43-44]研究得到了13-三體綜合征患者臍帶血或母血中差異表達(dá)的環(huán)狀RNA,并推測hsa_circ_0002473、hsa_circ_0005 651等環(huán)狀RNA及其靶基因可能成為13-三體綜合征無創(chuàng)性產(chǎn)前篩查診斷的新生物標(biāo)志物;而hsa_circ_0001649可能成為18-三體綜合征潛在的新標(biāo)志物[45]。常燕[46]的研究顯示hsa_circ_103112在21-三體綜合征患兒的臍帶血及其母體外周血均有顯著差異性表達(dá),其靶基因USP25也與臨床癥狀的產(chǎn)生有關(guān),可能成為21-三體綜合征的臨床標(biāo)志物。
4 小結(jié)與展望因環(huán)狀RNA擁有廣泛性、穩(wěn)定性、特異性等生物學(xué)特性且具有調(diào)控基因表達(dá)的重要功能,近年來逐漸成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點,但目前僅少量研究環(huán)狀RNA與人類生殖及妊娠相關(guān)。隨著生物信息及測序技術(shù)的發(fā)展,環(huán)狀RNA在人類繁衍、優(yōu)生優(yōu)育方面具有廣闊的研究價值及發(fā)展前景。
環(huán)狀RNA可以被分泌至細(xì)胞外環(huán)境中,可通過臨床普遍檢測標(biāo)本如血液、尿液、分泌物等檢測出來,用于臨床診斷或研究較為方便。目前的相關(guān)研究主要流程為找出患病組較正常組獨特上調(diào)或下降表達(dá)的某些環(huán)狀RNA,構(gòu)建環(huán)狀RNA-miRNA-mRNA相關(guān)網(wǎng)絡(luò),并分析其與某些蛋白或信號通路的關(guān)聯(lián),從而揭示疾病的病理發(fā)病機(jī)制并期望以之作為生物標(biāo)志物應(yīng)用于臨床早期預(yù)測干預(yù)以及治療。但如何從大量差異表達(dá)的環(huán)狀RNA中較為準(zhǔn)確地篩選出與目標(biāo)疾病相關(guān)聯(lián)的某一個或幾個還是目前亟待改善的問題,實驗室的研究成果距離臨床應(yīng)用亦有很長的一段路要走,尚需生物技術(shù)與器材的繼續(xù)發(fā)展和對基因調(diào)控研究的繼續(xù)深入。研究人員對已知的差異調(diào)控的環(huán)狀RNA進(jìn)行深入挖掘及大數(shù)據(jù)分析可能促進(jìn)環(huán)狀RNA與疾病關(guān)系的進(jìn)一步確定,從而加快臨床應(yīng)用的步伐,這需要研究者們的共同努力。
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