環狀RNA與糖尿病微血管病變相關性的研究進展

湯紹芳,何 慶

環狀RNA(circular RNA, circRNA) 廣泛存在于真核生物細胞中,是一類內源性環狀非編碼RNA(non-coding RNA, ncRNA)分子,具有來源多樣、種類豐富、結構穩定、序列保守及表達特異等特性,在多種疾病的發生、發展中有著重要作用[1]。糖尿病微血管病變是糖尿病常見的慢性并發癥,主要包括糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy, DR) 、糖尿病腎臟疾病(diabetic kidney disease,DKD)和糖尿病周圍神經病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN)等,是患者致殘、致死的重要原因之一。糖尿病微血管病變發病機制復雜,涉及高血糖、氧化應激和炎癥反應等[2]。circRNA是目前研究的熱點之一,本文就circRNA作用機制及其與糖尿病微血管病變的相關性進行綜述,探討circRNA對糖尿病微血管病變預防、診斷及治療的可能性。

1 circRNA的生物合成機制與功能

1.1 生物合成機制 主要有4種形式:(1)外顯子跳躍環化;(2) 內含子配對驅動環化A;(3) 內含子套索驅動環化;(4) RNA結合蛋白(RBP)驅動環化[3]。 circRNA在體液中和組織表達豐度較高,在胞質的分布多于胞核,可作為疾病診斷和評估的標志物[4]。

1.2 生物學功能包括 (1)對microRNA分子的“海綿作用”,通過豐富的microRNA的結合位點,發揮類似海綿樣的吸附作用,解除與疾病相關的microRNA對靶基因的抑制,實現對疾病的調控[3];(2)調控基因的轉錄,通過轉錄因子、表觀遺傳調節劑,以順式或反式方式調控基因轉錄,并與線性剪接競爭[5];(3)與蛋白相互作用,與蛋白結合可改變蛋白的空間結構,暴露或隱藏其活性位點,阻斷蛋白與DNA、RNA及蛋白與蛋白的相互作用[3,4]。circRNA還可募集蛋白到染色質,調控轉錄因子或表觀遺傳,改變基因表達。circRNA-蛋白-mRNA三元復合體可調控mRNA的穩定性和翻譯[6]。

2 與糖尿病微血管病變的關系

circRNA與糖尿病微血管病變密切相關,多種circRNA在糖尿病微血管病變中異常表達,是DR、DKD和DPN發生、發展的重要調控分子。在充分了解其致病機制的基礎上,circRNA有可能用于糖尿病微血管病變的診斷,人工合成相關circRNA也有望成為治療DR、DKD和DPN的分子工具。

2.1 circRNA與DR DR主要的病理生理機制是血糖增高誘導的氧化應激,活性氧(ROS)和晚期糖基化終末產物 (advanced glycation end products,AGEs)異常堆積,產生和釋放促炎因子,使周細胞數量減少,功能異常,內皮細胞功能紊亂,發生微血管滲漏和纖維血管膜增殖[7]。研究發現在正常視網膜和糖尿病視網膜組織有529種circRNA存在差異性表達。DR患者的血清有30種circRNA表達明顯上調,與DR的病理生理機制密切相關[8]。circHIPK3作為circRNA之一,由2號外顯子環化產生,可在視網膜表達,在血管生成和維持內皮細胞功能中具有重要調控作用。在高糖誘導的人視網膜血管內皮細胞(HRVECs)及STZ誘導的DR小鼠模型中,其表達顯著上調。沉默circHIPK3后,HRVECs的活性、增殖和遷移被抑制,成管能力下降,細胞毛細血管難以形成,視網膜毛細血管的滲漏、炎癥和水腫均可減輕[8]。進一步研究顯示,circHIPK3是內源性microRNA-30a-3p的分子海綿,能增加下游的血管內皮生長因子C(VEGF-C)、卷曲蛋白4(FZD4)和WNT2蛋白的表達,從而調節血管內皮功能。circHIPK3還可吸附microRNA-519-3p,調控基質金屬蛋白酶-2(MMP-2) 、信號轉導及轉錄激活蛋白3(STAT3)與X連鎖凋亡抑制蛋白(XIAP) 的表達,影響內皮細胞功能。circHIPK3在DR患者的房水中表達也明顯上調。因此circHIPK3可能在DR的發生及發展中起著重要作用[9,10]。

cPWWP2A是存在于周細胞內的一種circRNA,其表達異常與周細胞功能相關。糖尿病的相關病理因素如高血糖、氧化應激及炎癥等可打破環狀cPWWP2A與線性PWWP2A間的穩態,細胞有絲分裂等發生紊亂[8]。應用siRNA干擾cPWWP2A的表達,周細胞的凋亡增加、增殖降低,周細胞-內皮細胞間的Crosstalk異常,對內皮細胞的趨附力下降[11];而cPWWP2A的過表達可使周細胞增殖增加。cPWWP2A通過對miRNA-579的海綿樣作用,可抑制其活性,使其在胞質中富集,發揮競爭性內源RNA(ceRNA)作用,影響Ang1/Occludin/SIRT1的表達,調節周細胞的功能及周細胞-內皮細胞間的Crosstalk。circRNA的cZNF532對microRNA-29a-3p的海綿作用,可使賴氨酰氧化酶樣蛋白2(LOXL2)、蛋白聚糖NG2和周期蛋白依賴性激酶2(CDK2)的表達增加,影響周細胞的活性。因此circRNA有可能成為DR潛在的診斷標記物和治療的分子靶點[8,10-12]。

2.2 circRNA與DKD DKD在糖尿病患者中的發病率為25%～40%,是成人終末期腎病(ESRD)第2位的原因[13]。在DKD的病理表現中常有腎小球系膜細胞(MCs)肥大、異常增殖和纖維化[14],而circRNA與MCs的異常增殖、細胞外基質(ECM)積聚及纖維化密切相關。circHIPK3在DKD患者及高糖誘導的MCs中的表達上調,通過調控細胞周期與纖維蛋白沉積,進而影響DKD進展。沉默circHIPK3后,轉化生長因子-β1(TGF-β1)、纖維連接蛋白、Ⅰ型和Ⅳ型膠原蛋白等的mRNA表達降低,細胞周期蛋白D1(Cyclin D1)、增殖細胞核抗原(PCNA)mRNA的豐度明顯下降[14-16]。

在DKD患者和DKD大鼠模型及高糖培養的MCs中,circ_DLGAP4的表達均增加,并通過吸附miR-143來調節受體酪氨酸蛋白激酶/NF-κB/MMP2軸,促使MCs增殖和纖維化增加,損害腎小球濾過屏障。circ-DLGAP4同樣也通過上述通路作用促進DKD的進展[17]。circ_WBSCR17與miR-24-3p可競爭性結合,使成纖維生長因子11釋放增加,促進細胞增殖和纖維化[18]。circ_LARP4質粒轉染系膜細胞,可通過競爭性結合miR-424,抑制系膜細胞增殖并增加凋亡,降低纖維化相關蛋白的表達[19]。在高糖誘導的腎小管上皮(HK-2)細胞中circ_0003204的表達明顯升高,miR-346的表達明顯降低。抑制circ_0003204表達或增加miR-346的表達,高糖誘導的HK-2細胞增殖減少,凋亡增加。細胞培養液中的LDH、IL-6 水平及細胞中ROS活性、MDA含量降低,細胞中SOD活性升高,說明circ_0003204可能通過靶向調節miR-346影響高糖誘導的HK-2細胞的增殖、凋亡、氧化應激和炎癥反應[20]。還有研究顯示circ_0041795可能通過靶向調節miR-361-3p影響高糖誘導的HK-2細胞凋亡和氧化應激損傷[21]。

2.3 circRNA與DPN DPN的發病機制復雜,circRNA對DPN的神經病理性疼痛有著重要的調控作用[22]。臨床研究發現T2DM患者circHIPK3的表達水平與神經病理性疼痛的分級呈正相關。circHIPK3在STZ誘導糖尿病大鼠的血清和背根神經節中含量較高,對其進行基因敲除后,IL-1β、IL-6、IL-12和TNF-α的表達降低,大鼠的神經性疼痛可明顯緩解,可能是circHIPK3降低了miR-124的表達而發揮作用。 在糖尿病大鼠鞘內注射circHIPK3 shRNA可緩解其神經性疼痛[22]。自噬相關circRNA研究(ACR)發現,在作為DNP的體外模型的高糖引起的大鼠雪旺細胞RSC96,外源性沉默circRNA可使miR-145-3p的表達降低,進而激活PI3K/AKT/mTOR信號通路,從而減輕RSC96細胞的凋亡、自噬及ROS的生成[23]。circZRANB1表達下調可通過海綿吸附miR-24-3p,調控LPAR3的表達,介導Wnt5a/β-Catenin 信號通路,引起神經病理性疼痛[24]。下調circ_0005075的表達可降低miR-151a-3p表達,阻斷NOTCH2,引起靶向COX-2、IL-6和TNF-α水平下降,從而抑制神經炎癥,緩解疼痛[25]。

circRNA因其獨特的生物學功能和在體液中相對穩定的表達,日益成為研究的熱點。隨著高通量測序等技術的不斷發展,其多種生物學功能也不斷被挖掘。越來越多的研究發現circRNA在糖尿病微血管病變的發生、發展過程中發揮著重要作用,深入研究circRNA在糖尿病微血管病變中的分子作用機制,可為糖尿病微血管并發癥的預防、診斷和治療提供更多手段。然而,circRNA很多的作用機制和功能仍不清楚,還應進一步加強研究,使其早日應用于糖尿病微血管病變的臨床診治成為可能。