环状RNA编码蛋白质在胃肠肿瘤中的研究进展.pdf
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1、中国医学科学院学报ACTA ACADEMIAE MEDICINAE SINICAE综述环状RNA编码蛋白质在胃肠肿瘤中的研究进展江杰,罗再,张昊亮,裘正军,黄陈上海交通大学医学院附属第一人民医院胃肠外科,上海2 0 0 0 8 0通信作者:黄陈电话:0 2 1-6 32 40 0 90-312 1,电子邮件:richard-摘要:环状RNA(Ci r c R NA)是一类具有连续、共价闭合、环状结构的单链RNA,生成机制与线性RNA存在较大差异。目前研究已发现部分CircRNA可以通过内部核糖体进人位点、N6-甲基腺苷和滚环翻译等非帽依赖性蛋白翻译机制来编码蛋白质,且编码的蛋白质可进一步通过蛋
2、白诱饵或其他作用机制来调控同源线性蛋白质或下游信号通路,进而发挥生物学功能。已有研究表明CircRNA在各种疾病发生发展中发挥重要作用,特别是参与肿瘤生长增殖、侵袭转移和免疫调节等发生发展过程中。因此,通过阐明编码CircRNA产生的蛋白质在肿瘤发生发展中的表达情况和作用机制,有望为肿瘤诊治提供新的肿瘤标志物和潜在靶点。关键词:环状RNA;内部核糖体进入位点;蛋白质;蛋白诱饵Acta Acad Med Sin,2024,46(1):72-81中图分类号:R735.2D0I:10.3881/j.issn.1000-503X.15498Circular RNA-Encoded Proteins i
3、n Gastrointestinal Cancer:A ReviewJIANG Jie,LUO Zai,ZHANG Haoliang,QIU Zhengjun,HUANG ChenDepartment of Gastrointestinal Surgery,Shanghai General Hospital,Shanghai Jiaotong UniversityCorresponding author:HUANG Chen Tel:021-63240090-3121,E-mail:richard-ABSTRACT:Circular RNAs(CircRNAs)are a class of n
4、on-coding RNAs with a covalently closed-loopstructure,high stability,and tissue specificity,with the production mechanisms different from linearRNAs.Recent studies have discovered that some CircRNAs can encode proteins via cap-independent translationmechanisms such as internal ribosome entry site,N6
5、-methyladenosine,and rolling loop translation.The encodedproteins regulate homologous linear proteins or downstream signaling pathways via protein bait or other mecha-nisms,thereby exerting biological functions.Studies have shown that CircRNAs play a role in various diseases,especially in tumor prog
6、ression,proliferation,invasion,and metastasis and immune regulation.Therefore,byelucidating the expression and roles of proteins encoded by CircRNAs in tumorigenesis and development,this pa-per is expected to provide new tumor markers and potential targets for tumor diagnosis and treatment.Key words
7、:circular RNA;internal ribosome entry site;protein;protein bait环状RNA(c i r c u l a r R NA,Ci r c R NA)是一类具有环状结构的共价闭合RNA分子,通常被认为是一种非编码 RNAL1-2。目前关于CircRNA 的大部分研究主要文献标识码:A文章编号:10 0 0-50 3X(2024)01-0072-10School of Medicine,Shanghai 200080,China聚焦于miRNA海绵和蛋白结合等非编码RNA作用机制,如在最经典的miRNA海绵机制中,CircRNA通过吸附miR
8、NA来抑制miRNA与靶基因的结合,间接调基金项目:国家自然科学基金面上项目(8 2 0 7 2 6 6 2)和上海市级医院临床技能与临床创新三年行动计划(SHDC2020CR4022);第一、二位作者对本文贡献一致72February,20242CircRNA编码蛋白的机制环状RNA编码蛋白质在胃肠肿瘤中的研究进展节靶基因表达来发挥作用 3。随着研究的深人,越来越多的学者发现了在特定情况下可编码蛋白的Cir-cRNA,这为CircRNA的研究提供了新方向。本文将深人探讨CircRNA蛋白编码、与蛋白质交互作用、翻译蛋白质等作用机制以及潜在临床应用。1CircRNA 的概述Sanger等 4
9、于197 6 年首先发现CircRNA。经典的线性mRNA 是由 RNA 聚合酶 I转录并剪接去除内含子形成的,CircRNA形成方式则不同,大多是通过反向剪接形成的,即CircRNA外显子上游的3 端跨过外显子区域与其下游的5 端相拼接,形成5”-磷酸二酯键闭合的环状结构RNA,小部分CircRNA是因传统剪接中形成的套索结构未降解,而形成闭合的环状结构RNA5-8。已有研究表明CircRNA主要在细胞核内产生,随后被运输至不同的作用位点,进而发挥作用,而RNA结合蛋白、参与剪接的蛋白因子和内含子互补元件可以通过互相配对来调节CircRNA 的生成速率 7 。含有内含子的CircRNA大多定
10、位在细胞核内,而具有外显子的CircRNA则通过核酸长度依赖的方式运至细胞质内,其中大于130 0 nt的CircRNA由人类DExD-box解旋酶39B介导运输 9。CircRNA降解由核酸内切酶和核酸外切酶介导,尽管反向剪接生成的CircRNA较少,但得益于共价闭合的环状结构,可耐受核酸外切酶,故在时间累积下CircRNA 在细胞内有一定的丰度 10-2 。RNA甲基化修饰普遍存在方式是N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,mA)修饰,mA修饰的CircRNA可以通过mA阅读蛋白YTH结构域家族蛋白2 和热反应蛋白12 被核糖核酸酶P-多药耐药性蛋白复合体降解 3。除上述降
11、解方式外,在病毒感染的情况下,CircRNA可以由病毒源性的双链RNA 激活的核糖核酸酶L降解 14。CireRNA对于生物体的生长调控、免疫调节和肿瘤发生方面有着重要的作用,调控的作用机制主要包括miRNA海绵机制、蛋白海绵机制和与蛋白互作(如增强、支架、招募作用等)15随着对CircRNA研究的进展,越来越多的证据表明CircRNA在特定情况下也具有蛋白编码的功能,具有编码功能的CircRNA需要相对应的密码子,类似于其他蛋白编码的mRNA,且序列保守性会比非编码性CircRNA高 16 。与常规线性mRNA的帽依赖性翻译机制不同,目前研究发现的CircRNA存在非帽依赖性的翻译机制,这种
12、非帽依赖性翻译机制也是CircRNA是否能翻译关键之一。mRNA在核内转录后需要进行加工,通常在mRNA的5 端处加帽,即5 末端7-甲基鸟苷残基帽结构,并于3 端被多聚腺苷酸化,生成polyA尾 17 。当mRNA运出细胞核进入胞质进行翻译时,便开启帽依赖性翻译的过程,当帽结合蛋白真核生物翻译起始因子(eukary-otictranslation initiationfactor,e I F)4E结合至5 末端7-甲基鸟苷残基帽结构处,就招募eIF4G和elF4A组装成eIF4F复合物,然后又和eIF3、e I F1、40 S小核糖体亚单位等组合构成43S预启动复合物,从5 端非翻译区识别起
13、始密码子,最后与6 0 S大核糖体亚单位结合,开启后续翻译 18 。CircRNA中不存在5 末端7-甲基鸟苷残基帽结构,无法以类似mRNA 的帽依赖性翻译机制启动翻译,只能以非帽依赖性方式进行翻译,如内部核糖体进人位点(internal ribosome entry site,IR ES)、RNA甲基化修饰和滚环翻译介导等的非帽依赖性机制启动翻译 2,192.1IRES介导的非帽依赖性翻译起始IRES是招募核糖体到mRNA内部区域的一段核酸序列,最早在病毒中发现,IRES介导的翻译有部分还需要翻译起始因子(initiationfactor,I F)和IRES反式作用因子(IRES trans
14、-acting factor,IT A F)帮助 2 0 。通常来说结构越是紧密的IRES需要较少的ITAF和IF进行协助翻译 18 。根据对 IF 和 ITAF 的需求,病毒 IRES 可被分成4 组 2 1。I组病毒 IRES通常具有很强的活性,不需要多余的ITAF和IF,仅凭借RNA序列形成假结或茎环结构直接与40 S小核糖体亚单位相结合开始翻译,少部分甚至可以从非起始密码子开始翻译 2 2 。I组病毒IRES虽然也可以直接与40 S小核糖体相结合,但同时需要几个 IF来协调。组和IV组两组病毒 IRES则不能直接与40 S小核糖体结合,需要ITAF和IF来招募40 S小核糖体亚单位,主
15、要区别是组病毒IRES不需要40 S小核糖体识别起始密码子,直接可在IRES位点进行翻译,而IV组病毒IRES 则需要识别起始密码子,才能开始进行翻译 2 3。相较于病毒 IRES,细胞内 IRES 的发现则相对较晚,这是因为细胞IRES介导的翻译通常不如病毒IRES介导的翻译有效,且细胞内IRES介导的翻译还受到多种复杂机制的调控 42 5。虽然细胞内的IRES发现较晚,但并不少见,任何只要大于50 nt的CircRNA都可能包含1个IRES六聚体存在,由此可进行细胞内IRES介导的翻译 2 6 。在细胞非应激状态下,IRES位点仅Vol.46 No.173中国医学科学院学报支持低水平的翻译
16、,而在有丝分裂、调亡、缺氧等应的mA甲基,读取后招募eIF4G2以及核糖体等,促进激情况下,帽依赖的细胞翻译机制不能正常运行时,翻译进行(图1),甲基转移酶蛋白3/14增强非帽依赖IRES位点则可支持细胞稳定翻译,尽量维持细胞内正性翻译效率,而去甲基化酶降低非帽依赖性翻译效率。常的生理活动 2 0.2 5,2 7 。细胞 IRES 相较于病毒 IRES 拥非帽依赖性翻译效率在热休克时上调,这可能是通过有更少的RNA结构和序列保守性,给细胞IRES的分YTH结构域家族蛋白2 从胞质转移至胞核中阻断了去甲类带来了一定的难题,细胞IRES大致分为2 类:(1)基化酶,提高了mA水平,从而增强了翻译效
17、率 32 。I型IRES是位于RNA上的顺式作用元件,可以与2.3滚环翻译介导的非帽依赖性翻译起始ITAF结合,且与核糖体相互作用促进翻译;(2)滚环翻译是指核糖体在CircRNA上无限滚动翻译,型IRES也是位于RNA上的短顺式元件,在距IRES起从而产生含有大量重复肽段蛋白质的一种翻译机制 33。始位置大约40 6 0 nt左右的位置有1个茎环结构的Abe等 34 在2 0 13年首次发现病毒CircRNA可通过滚RNA 元件(stem-loop structured RNA element,Su R E)环翻译机制来翻译蛋白质。在2 0 15年,有研究证明真结构,通过核糖体40 S亚基中
18、的18 SrRNA与IRES相核细胞内CircRNA也可通过滚环翻译机制来翻译蛋白配对来促进翻译 2 0 (图1)。质 35。不同于IRES和mA介导的翻译机制,滚环翻I型IRES通常为一类RNA结合基序,可以募集译不需要CircRNA内在特殊的启动因子,仅需凭借起ITAF,并进一步募集核糖体进行翻译,ITAF大多为RNA始密码子AUG就可以启动翻译 2.1.6-7 。一般来说,可结合蛋白,也是在细胞核和细胞质中穿梭的异质核糖进行滚环翻译的 CireRNA 的核苷酸数量均为3 的倍数 3。核蛋白组,可能与RNA转录加工之间存在干扰调控关CircRNA没有现成的终止密码子,存在无限开放阅读系 2
19、 4.2 8 。ITAF可以增加 IRES和翻译复合物之间的结框架(open reading frame,O R F),但已有研究证明合力,但具体介导IRES翻译的机制尚不清晰,以下是CircRNA滚环翻译可通过程序性-1核糖体移位方式产2个可能的机制:(1)ITAF重塑IRES空间结构,产生生终止密码子,最终停止翻译 38-40 。在滚环翻译机制更高的亲和力;(2)ITAF可在mRNA和核糖体之间充中,CircRNA仅含有起始密码子AUG,且没有终止密当桥梁关系,代替IF在mRNA和核糖体之间充当桥梁码子存在,理论上核糖体可以在无限ORF中进行无限关系 2 0.2 4-5。已有研究发现关于
20、ITAF 作用的9类途径,循环翻译,从而产生不同分子量的蛋白质 35】(图1)。如伴侣作用、竞争结合、核质易位、启动子依赖性募3验证CircRNA编码蛋白的工具和实验集、与IF相互作用、与核糖体相作用和作为核糖体固有成分等 2 9。也有研究发现,ITAF 在细胞内分布的位置和数量是影响 IRES 活性的重要因素 30 。I型IRES,类似于细菌翻译起始的Shine-Dalgarno序列,帮助招募18 S RNA核糖体定位至核酸上 31。I型IRES最大的特征是在距IRES起始位置40 6 0 nt位置含有SuRE结构,SuRE具有以位置依赖性和结构依赖性方式促进CircRNA非帽依赖性翻译活动
21、的发生,具体机制为当18 SrRNA识别到SuRE时,可延缓CircRNA解旋,从而增加IRES上18 SrRNA与核糖体18 SrRNA互补的机会来促进翻译。SuRE结构为CircRNA特有促进翻译的结构,不存在于线性 IRES 中 312.2mA介导的非帽依赖性翻译起始CircRNA含有类似IRES 的活性存在的mA修饰位点共同基序,即RRmACH。这些位点主要集中在终止密码子附近和长的内部外显子上,并且在人类和鼠之间高度保守,有研究发现单个mA位点足以驱动非帽依赖性翻译起始 32 。在mA介导的非帽依赖性翻译起始中,YTH结构域家族蛋白3负责读取RNA序列CircRNA通过特定的翻译机制
22、来编码蛋白,在生物体内可能有着十分重要的调控作用。常规对于 CircRNA编码能力的验证主要包括生物信息学预测和实验验证。3.1基于生物信息学对CircRNA编码能力的预测CircRNA可以非帽依赖性方式进行翻译,如IRES、mA和滚环翻译,除此之外,还需有ORF 的存在,即从起始密码子至终止密码子的序列存在,才能完成精准翻译。一般来说,可翻译 CircRNA 的 ORF 常常是大于10 0 个密码子的序列存在,但进一步研究发现,许多小于10 0 个密码子的短ORF也具有翻译的能力。不同于线性mRNA,在CircRNA中ORF的范围变异性很大,可跨过或不跨过反向剪接连接点,同时,ORF不仅可以
23、有小于一圈的长度存在,还可以有多圈的长度存在。CircRNA编码能力预测主要是依赖于生物信息学工具对于 IRES 序列、mA 位点和 ORF 预测 2 6,32.4-43。核糖体图谱常用于对ORF进行定位,在裂解RNA的情况下,依靠核糖体对2 0 30 nt片段RNA的保护(免于降解),通过鉴定这些片段(又称为核糖体保护片段、74February,2024环状RNA编码蛋白质在胃肠肿瘤中的研究进展核糖体足迹等),配合RNA转录组测序技术可以定位到 ORF 的准确位置,以此预测 CireRNA 编码能力 4。表1总结了对单个或整合CircRNA翻译因素的部分预测工具。内部核糖体进路径1人位点开放
24、阅读框架互补18 SrRNA序列内部核糖体非翻译区进入位点甲基路径2热腰菲DIV环状RNA路径3路径1:IRES介导的非帽依赖性翻译起始;路径2:mA介导的非帽依赖性翻译起始;路径3:滚环翻译机制;IF:翻译起始因子;ITAF:内部核糖体进人位点反式作用因子;SuRE:茎环结构的RNA元件;Met:甲基;40 S:核糖体40 S小亚基;6 0 S:核糖体6 0 S大亚基;A:腺苷;YTHDF3:Y T H 结构域家族蛋白3;4G2:翻译起始因子4G2;4A:翻译起始因子4A;4B:翻译起始因子4B;ATG:起始密码子图1环状RNA翻译机制预测工具IRESiteIRES finderIRESba
25、seREPICORF FinderCPCPhyloCSFCPATCircProCircCodeTransCirc注:IRES:内部核糖体进人位点;mA:N6-甲基腺苷;ORF:开放阅读框架3.2基于实验对CircRNA编码能力的验证预测CircRNA的翻译能力后,仍需要实验进一步验证CircRNA编码能力,检验CircRNA与核糖体的结合情况、起始活性以及ORF的翻译是主要的实验验证手段。I型细胞内部核糖体进入位点TE40SITAFITAF非翻译区内部核糖体进入位点开放阅读框架内部核糖体进入位点II型细胞内部核糖体进入位点40S甲基40S40S60S60S蛋白质无限滚环翻译甲硫氨酸无限开放阅读
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