环状RNA（circRNA）是一种多功能分子，参与调控转录和转录后的基因表达，并在多种正常和疾病（包括癌症）相关的不同组织和发育时期表现出特异性表达的特征。circRNA的内在稳定性高且对核糖核酸酶具有抗性，在癌症诊断、治疗和预防中作为可靠的诊断和预后生物标志物而备受关注。目前，研究人员已经鉴定出数千个高保守性、高丰度的环状单链RNA分子。然而，circRNA在临床中的效用和一些关键的注意事项尚不明确，缺乏完整的功能说明，使其生物检测方法建立和临床医学应用仍然具有很大的挑战。
2023年8月16日，德克萨斯大学MD安德森癌症中心George A Calin教授和巴斯大学Giuseppina Pisignano博士在Oncogene （IF=8.0）发表了综述文章【Going circular: history, present, and future of circRNAs in cancer】。文章回顾并综述了circRNA的生物发生及其生物学功能，总结并展望了circRNA在肿瘤发生中的作用和在癌症靶向治疗中的潜在用途。
circRNA的发现、研究和发展
circRNA的发现可以追溯到40多年前，在小鼠仙台病毒和被称为类病毒的植物致病病毒中被首次发现。1979年，科学家通过电子显微镜在真核细胞（HeLa）细胞质中观察到RNA以环状的形式存在。在20世纪90年代末到21世纪初，多项研究表明，产生circRNA的基因在从苍蝇到人类等真核细胞中广泛存在。2012年可谓是circRNA元年，随着高通量测序技术的发展，在人体内发现了大量circRNA；自此，circRNA研究逐渐火热。越来越多研究表明，circRNA在动物体内比相关mRNA具有更高的稳定性。目前，人们已经发现数千个circRNA存在于多种生物中，它们的表达与发育时期、生理条件和包括癌症在内的疾病有关，从而开辟了一个全新的研究领域。
图1 circRNA研究的里程碑事件
circRNA在正常或病理环境中的生物发生
circRNA的不同类型及其来源
众所周知，前体mRNA（pre-mRNA）剪接方式是一种与转录紧密结合的机制。在该过程中，pre-mRNA的内含子被去除，外显子被共价连接，形成线性mRNA，再被翻译成蛋白质。相反，反向剪接是通过下游剪接位点和上游剪接位点共价连接闭合，由此产生的circRNA没有5’帽子结构和3’聚腺苷酸化尾巴，核酸外切酶不易接近，比线性RNA更稳定。
图2 pre-mRNA的经典剪接和反向剪接
circRNA的生物发生机制
circRNA可以由多个外显子组合而成，有些甚至保留内含子部分。通常存在三种机制，包括套索驱动的环化（外显子跳跃）、内含子配对驱动的环化和RNA结合蛋白质（RBP）驱动的环化。
circRNA在病理过程中的生物发生
不同的病理环境（包括癌症）会产生不同类型的circRNA：
（1）因转录终止失败而过度转录下游基因，再进行反向剪接，产生read-through circRNA（rt circRNA）；
（2）来自癌症相关的染色体易位会产生融合circRNA（f-circRNA）；
（3）mRNA中未被甲基化的外显子可能会形成m6A修饰的circRNA，对circRNA的生成、定位和降解有一定影响。
图3 circRNA的发生机制
circRNA的生物学功能
circRNA作为转录调控因子
除了对pre-mRNA选择性剪接具有调节作用外，circRNA还可以作为亲本基因的转录调节因子，激活其亲本基因。位于细胞核中的circRNA（如由外显子和内含子组成的EIciRNA），可以通过碱基配对与U1-snRNP结合，在亲本基因启动子处与RNA Pol II相互作用，从而增强其表达。类似地，circRNA在其亲本基因的转录位点积累，并通过连接延伸RNA Pol II复合物而调节其延伸活性，以此来提高亲本基因的转录率。
circRNA作为miRNA的海绵
功能性circRNA最初被证实为有效的miRNA海绵，能够特异性吸附miRNA，在转录后调节其下游靶基因的活性。在癌细胞中，circHIPK3通过吸收肿瘤抑制因子miR-124来调节细胞生长，而circITCH通过吸收miR-7、miR-17和miR-214来发挥癌症抑制剂的作用。
circRNA作为RNA稳定性的调节剂
circRNA可以影响其他RNA分子的稳定性，包括lncRNA和mRNA。RNA分子的稳定性也可以与蛋白质协同进行。例如，circZNF609促进蛋白质ELAV1（也称为HuR）的募集，其相互作用增强了一系列mRNA的稳定性和翻译；circXPO1通过募集IGF2BP1来增强CTNNB1 mRNA的稳定性，从而促进肺腺癌进展。
circRNA与RBP相互作用
circRNA在细胞质内可以螯合胞浆蛋白并阻止其进入细胞核，充当RBP诱饵以调节其功能或充当复合物组装的支架分子。例如，在NSCLC中，对肿瘤生长和转移的抑制作用是由circNDUFB2的支架作用引起的，circNDUBB2与TRIM25和IGF2BPs形成三元复合物，促进IGF2BPs的泛素化和降解，并最终激活抗肿瘤免疫反应。
circRNA具有翻译功能
尽管大多数circRNA是非编码基因，但是有些circRNA可以与核糖体结合并翻译成蛋白质。
目前的研究表明，circRNA在以下2种情况下具有翻译功能：
（1）circRNA同时承载开放阅读框（ORF）和内部核糖体进入序列（IRES）；
（2）在circRNA的5’UTR中结合m6A修饰。
此外，致癌病毒衍生的circRNA也可以翻译成蛋白质。例如，人类乳头瘤病毒衍生的circE7在宫颈癌和头颈癌中表现出致癌活性，并被转化为E7癌蛋白。
图4 circRNA作为CRC诊断和治疗的潜在生物标志物
circRNA的检测和研究方法
从circRNA的发现、鉴定到功能研究，不同的方法有其自身的优势和局限性，将多种方法相结合可以提高circRNA检测和验证的可靠性和准确性。
circRNA作为癌症的生物标志物和治疗靶点
circRNA与多种生理条件和细胞生物学特征（包括干细胞和多能性细胞）有关，可能与诱导和维持癌症进展有关。此外，circRNA与一些临床特征相关，如肿瘤分级、大小、转移和侵袭性。越来越多研究表明，circRNA可作为早期癌症检测、临床诊断和预后的潜在生物标志物，甚至可用于监测治疗反应。circRNA具有独特的表达模式、分子稳定性、特异性和在人体内的广泛分布特性，因此能够通过体液（包括血液、唾液和尿液）中的液体活检对其进行检测和定量，液体活检便于重复采样、侵袭性较小和可行性较高，比组织活检便捷高效。
circRNA的失调可以驱动各种癌症的肿瘤发生和转移，使其成为癌症治疗的有效靶点。目前的研究旨在通过调节circRNA的表达水平而进行治疗,使用动物模型进行临床前研究主要运用过表达或敲低circRNA使其获得或丧失功能的策略。
图5 circRNA作为人类癌症的生物标志物和治疗靶点
总结
circRNA在不同癌症组织和疾病中参与多种分子机制，从临床角度来看，circRNA的出现为癌症研究开辟了新天地，可以作为早期癌症检测、诊断、预后甚至预测治疗反应的有效生物标志物。然而，circRNA对癌症的诊断和治疗有何影响仍然存在争议，有时甚至相互矛盾，将来需要在临床研究的背景下对患者样本进行更详细的生物学验证。一旦对circRNA的功能生物学有了更全面的了解，就有可能在临床上充分利用circRNA的潜力。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41388-023-02780-w
