编译：夕夕，编辑：夏甘草、江舜尧。
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导读
环状RNA（circRNA）是从mRNA前体特定区域的反向剪接产生的基因组转录本。这些单链RNA分子在不同的物种中广泛表达，其中许多在物种间稳定且进化保守。越来越多的证据表明，许多circRNA通过影响转录和翻译过程而充当基因表达的主要调控因子。从机制上讲，circRNAs预计将充当内源性microRNA（miRNA）海绵，与功能性RNA结合蛋白（RBP）相互作用，并与细胞核中的转录机制相关。许多证据表明，circRNA的失调与包括癌症和代谢性疾病在内的一系列疾病的发生密切相关。但是，很少有研究针对circRNA在肥胖症的发生和发展中的潜在作用。本文主要探索了关于circRNA调控与脂肪形成和肥胖相关的分子过程的知识的现状，突出了研究circRNA时遇到的一些挑战，并为这一激动人心的研究领域的未来研究方向提供了一些见解。
原名：The Emerging Role and Promise of Circular RNAs in Obesity and Related Metabolic Disorders
译名：环状RNA在肥胖和相关代谢紊乱中的新兴作用和前景
期刊：cell
IF:24.38
发表时间：2020.6
通讯作者：Mohamed Zaiou
通讯作者单位: School of Pharmacy, The University of Lorraine, 7 Avenue de la Foret de Haye,CEDEX BP 90170, F-54500 Vandoeuvre-les-Nancy, France
DOI号：10.3390/cells9061473
1.circRNA介绍
circRNA的生物发生
与形成线性RNA的常规剪接相反，circRNA通常来自前体mRNA反向剪接，即下游5'剪接位点与下游3'剪接位点连接形成共价闭合环状结构。即使尚未完全了解介导circRNAs生物发生的具体机制，但仍提出了几种模型，包括使用ALU元件直接反向剪接和反向重复序列互补，外显子跳跃和RNA-结合蛋白（RBP）介导的模型。根据其序列，circRNA通常可分为三类：外显子circRNA（EcircRNA），仅从外显子区域产生，大概已知的80%的circRNA都是这种类型，主要存在于细胞质中；源自主要位于细胞核的套索内含子（ciRNA）的circRNA；带有保留内含子的外显子衍生的circRNA（EIciRNA），主要存在于细胞核中（图1）。先前对来自其宿主基因的circRNA数量的分析表明，一个基因可以产生多种circRNA亚型，其中近50％的宿主基因以一种更高的水平表达一种circRNA。关于circRNA的转换，提出了外来体是从细胞中清除这些转录物的机制之一，但是需要进一步的研究来探索涉及circRNA代谢转换的调控因子。
图1 环状RNA（circRNA）生物发生的简化示意图
circRNA的特性
根据已发表的文献，circRNA具有多个特征。它们由于其独特的结构而在细胞中高度稳定，对于大多数物种，这些分子的平均半衰期约为48小时，比mRNA的寿命长得多。但是，血清外显子circRNA可能并非如此，这可能是由于循环RNA核酸内切酶引起的。circRNA在物种之间是进化保守的。通常显示组织或发育阶段特异性的表达模式。circRNA相对于线性RNA对应物的丰度因细胞类型而异。
circRNA的生物学功能
尽管大多数circRNA的确切功能仍不清楚，但一些研究表明circRNA可能通过多种机制控制多种生物学过程。它们可以充当miRNA海绵，进而影响目标mRNA的翻译。换句话说，包含miRNA识别元件（MRE）的circRNA可以通过稳定的互补碱基配对与miRNA相互作用，从而抑制其活性，从而有效改变其在靶基因表达的转录后调控中的作用。在人类细胞中，敲低CDR1as表达可抑制miR-7表达并影响胰岛素分泌，细胞增殖和心肌梗死的病理生物学。同样，在鼠的睾丸中表达并具有16个miR-138保守的结合位点的性别决定区Y（SRY）衍生的circRNA（circSRY）也已被证明可以作为miRNA海绵发挥作用。除了在细胞质区室中发现的circRNA外，一小部分还可以在细胞核内堆积，它们在转录水平上控制基因的表达。这些内含子的circRNA可以与上游启动子，RNA聚合酶Ⅱ和转录机制的其他蛋白质相互作用，以在某些情况下调节其亲本基因的表达。例如，ciRNA，ci-ANKRD52和ci-SIRT-7能够在转录位点积累并通过与PolⅡ伸长复合物相互作用分别增强其亲本基因表达。尽管circRNA被定义为不编码蛋白质的一类独特的ncRNA，但有趣的是，最近的研究表明，某些circRNA可能具有意想不到的蛋白质编码潜能。像lncRNAs一样，某些circRNAs可能包含推定的短开放阅读框（ORF），并具有编码小肽的能力。文献中有多个可以编码肽或蛋白质的特定circRNA的例子。例如，circ-ZNF609可以使蛋白质在肌肉发育中起作用。然而，在哪种情况下circRNAs的翻译比较普遍，推定的肽/蛋白质产物起什么作用是重要问题。此外，尽管已经提出了几种circRNAs翻译的机制[39,43]，但仍需要进一步的深入研究，这可能有助于揭示这些RNAs奥秘。此外，如果circRNA的翻译过程被证明是正确的，则这可能表示这些转录物是功能分子的其他证据。可以将这种新观点视为了解ncRNA编码的隐藏人类蛋白质组的第一步，并突出显示未来研究的特定途径。尽管目前对circRNA生物学的了解还处于早期阶段，但是越来越多的证据表明，它们在许多疾病（包括代谢紊乱）中作为基因表达的主要调节者发挥了作用。根据这一观察结果，越来越多的研究表明circRNA的失调与多种疾病的病理生理相关，例如糖尿病，高血压，心血管疾病（CVD）和其他代谢紊乱。例如，某些circRNA的异常表达与糖尿病的发生有关。在胰岛细胞中，CDR1的过表达通过CDR1as / miR-7途径显着增加了β细胞中胰岛素mRNA的水平和颗粒分泌。在心脏功能方面，现有证据表明，与心脏相关的circRNA（HRCR）可通过充当miR-223的内源海绵来预防心脏肥大和心力衰竭。此外，circRNA心肌梗死相关环状RNA（MICRA）作为心肌梗死后心力衰竭风险分层的生物标志物具有预后意义。已发现circANRIL可通过控制rRNA的成熟和调节动脉粥样硬化的形成途径来赋予动脉粥样硬化保护作用。越来越多的证据表明，circRNA与非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD）密切相关，该疾病由多种因素引起，包括肝脂质蓄积，脂肪组织和线粒体功能障碍，高脂饮食，肥胖， 慢性炎症状态，胰岛素抵抗（IR）以及遗传和表观遗传因素。最后，尽管越来越多的功能性circRNA被逐渐鉴定出来，并且在动脉粥样硬化，糖尿病，高血压和CVD中取得了一些进展，但是circRNA在失调的脂肪形成和肥胖中的作用仍然难以捉摸，尚需进一步探讨。下一部分主要从表观遗传学角度关注与肥胖相关的circRNA网络。
2.肥胖中的circRNA
尽管在circRNA和几种代谢疾病之间建立了联系，但对circRNA与脂肪形成之间潜在联系的研究仍然很少。当前，很少有新兴研究将circRNA与疾病相关的作用范围扩展到肥胖症及其潜在机制。因此，接下来将以已发表文献为例，表明circRNA在与肥胖相关的许多生物学过程中的关键调控作用，包括脂肪形成和脂肪细胞分化。动物脂肪组织。体外和体内动物研究的新证据表明，circRNA在脂肪组织中表达，并可能调节脂肪形成和脂质代谢。在这方面，已有研究人员鉴定了在大型白猪和莱芜猪皮下脂肪组织中差异表达的几种circRNA。进一步的分析表明，circRNA_11897被最显着下调，而circRNA_26852被最显着上调。两种circRNA均显着参与与脂肪细胞分化和脂质代谢相关的途径（表1）。在另一项研究中，有研究人员在猪的皮下脂肪形成过程中发现了850个circRNA差异表达。这些转录本与多种生物过程有关，包括脂质代谢和细胞分化过程。最近，一项有趣的研究表明，circSAMD4A通过与miR-138-5p结合来控制肥胖的脂肪形成。在高脂饮食（HFD）诱导的肥胖小鼠中，mmu_circ_0000529敲除可逆转相关的体重增加，食物摄入减少，体脂肪减少和能量消耗增加。值得注意的是，这些小鼠还表现出更高的胰岛素敏感性和葡萄糖耐量。从机理上讲，体外实验表明circSAMD4A可与miR-138-5p结合并充当miRNA海绵，从而随后调节EZH2表达。功能分析证实，circSAMD4A的过表达可以调节前脂肪细胞的分化，并有效预测肥胖。在牛脂肪细胞中，发现circFUT10通过使let-7c结合let-7从而促进脂肪细胞增殖并抑制脂肪细胞分化。总体而言，这些发现表明circRNA可能通过转录后调控参与脂肪细胞分化和脂肪组织形成。
表1 与脂肪形成和肥胖相关的代谢并发症有关的环状RNA
人脂肪组织。在过去的两年中，确定circRNA在人类脂肪形成和肥胖症中的功能的研究数量显着增加。在一项涉及内脏脂肪形成的研究中，发现多达4080个circRNA在人类内脏前脂肪细胞中差异表达，其中，分别有2215和1865个circRNA显着上调和下调。进一步的验证实验表明，hsa_circ_0136134，hsa_circ_0017650和hsa-circRNA9227-1是上调程度最高的转录本，表明它们与内脏脂肪生成密切相关。为了筛选参与脂肪形成和肥胖的circRNA，有研究人员通过RNA测序方法分析了人和小鼠内脏及皮下脂肪的转录组。在这项研究中，确定了成脂过程中成千上万的脂肪circRNA。其中，circTshz2-1和circArhgap5-2是体外成脂的关键调节剂。此外，体内CircArhgap5-2的沉默导致抑制脂质的积累和脂肪标志物的下调，这表明CircArhgap5-2可能在维持涉及脂质生物合成和代谢的整体脂肪细胞转录程序中起关键作用。有趣的是，CircArhgap5-2的促脂肪生成功能在人类脂肪细胞中是保守的。但是，circArhgap5-2调节脂肪形成的机制仍有待确定。这些数据有力地表明circRNA是脂肪形成和脂肪细胞代谢过程中的一个促成因素。在代谢综合征患者的样本中，发现与腹部肥胖和CVD相关的疾病高度升高，并且与包括体重指数（BMI）在内的肥胖变量显着相关。相反，hsa_circH19沉默可能通过这种circRNA与多嘧啶束缚结合蛋白1（PTBP1）的相互作用促进了人类脂肪干细胞（hADSCs）成脂分化。
因其在各种生理病理过程中的作用而引起广泛关注的另一种circRNA是INK4基因座上的环状反义非编码RNA（circANRIL）。ANRIL基因的遗传变异与T2DM，动脉粥样硬化CVD，冠状动脉疾病，心肌梗塞和肥胖症的风险增加相关。进一步的研究表明，出生时ANRIL启动子甲基化的表观遗传调控与心血管风险增加有关。总的来说，以上研究的结果表明，circRNA在脂肪组织中差异表达，并表明circRNA在脂肪形成的调控网络中的重要作用。但是，circRNA在脂肪积累和脂质代谢中发挥的确切作用仍然难以捉摸。深入了解控制这些RNA物种表达的分子机制，对于确定预防脂肪生成并因此预防肥胖症和肥胖症相关代谢紊乱的新靶标至关重要。
环状RNA在肥胖诱导的胰岛素抵抗中的作用
尽管并非所有肥胖者都会发展IR，但广泛认为IR与肥胖和T2DM密切相关。大量证据表明，肥胖引起的炎症特点在于免疫细胞的丰度，从而增加了促炎细胞因子的分泌，促炎因子长期存在于全身性炎症中，损害了糖耐量，并导致IR导致T2DM的发展。据报道，在人类中，miR-122，miR-143-3p和miR-652-3p也与肥胖症和IR相关，并与胰岛素信号传导中基因和蛋白质级联的调节有关。此外，lncRNAs表达的改变与糖尿病患者血糖控制不良，IR，细胞衰老加速和炎症有关。
迄今为止，尚无研究专门研究circRNA在肥胖症IR-T2DM环境中的作用，但随着人们注意到许多与IR相关的circRNA的改变，这种情况将来可能会有所改变。例如，已证明circHIPK3通过使miR-192-5p海绵化并上调FOXO1来促进高血糖和IR。
脂肪炎症中的circRNA
如今，慢性低度炎症被认为是肥胖的标志，是IR和T2DM发生的关键危险因素。免疫细胞（主要是巨噬细胞）释放促炎性细胞因子/趋化因子，它们可以在局部释放，但在释放入循环系统后也可以全身发挥作用，因此激活了慢性炎症，有助于肥胖症和相关代谢紊乱的发生。因此，更好地探索白色脂肪组织的炎症机制并指出在该组织中发生的免疫事件将提供对炎症在肥胖症中的病理生理作用的认识，并有助于管理与肥胖症相关的疾病。尽管ncRNA在脂肪形成中的作用已经取得了一些进展，但是这些RNA在脂肪炎症中的重要性仍然难以捉摸。先前已经提出了一些ncRNA在肥胖相关炎症调节中的意义。例如，有研究人员鉴定了一种新的名为巨噬细胞炎症抑制转录本的lncRNA，该蛋白在高脂饮食喂养的肥胖小鼠的腹膜巨噬细胞和脂肪组织巨噬细胞中均下调。
在另一项研究中，观察到circARF3作为内源性miR-103海绵发挥抑制miR-103活性的作用，导致TNF受体相关因子3（TRAF3）的表达增加，从而减轻了小鼠脂肪组织中的炎症。随后的实验为circARF3参与炎症的观点提供了支持。相反，另一项研究报道，肥胖中髓样细胞TRAF3促进代谢炎症，胰岛素抵抗。这些作者进一步表明，髓样TRAF3在瘦和肥胖小鼠中可能分别具有抗炎和促炎活性，这表明在肥胖症进展中，髓样TRAF3在功能上将其活性从抗炎转变为促炎模式。
肥胖和炎症与多种并发症有关，包括T2DM，CVD，高血压和中风。有研究人员指出，T2DM患者外周血白细胞中circANKRD36的表达上调，并与慢性炎症相关，提示circANKRD36可作为筛选T2DM患者慢性炎症的潜在生物标志物。
circRNA在白色脂肪组织褐变中的作用
与主要存储脂质的白色脂肪细胞组织（WAT）不同，棕色脂肪细胞组织（BAT）可以通过减少脂肪和增加能量消耗来促进能量代谢。BAT活性的丧失可能导致肥胖和IR的发展。因此，WAT褐变因其逆转肥胖和相关代谢并发症的潜力而备受关注。尽管在了解WAT褐变的表观遗传分子机制方面已经取得了重大进展，但是在这种情况下ncRNA的作用仍是未知之数。到目前为止，已鉴定出几种miRNA并进行了WAT褐变过程的控制。此外，一类lncRNA具有调节褐色脂肪形成的作用。关于circRNAs在这种过程中的潜在影响仍然是一个新的方向。在这方面，有研究人员报道了源自胃癌患者细胞的血浆外泌体ciRS-133通过靶向miR-133 / PRDM16途径促进WAT褐变。尽管如此，这些初步研究提供了巨大的潜在治疗策略，以减少肥胖症中过多的能量存储。因此，需要进一步研究circRNA在WAT褐变程序中的作用。circRNA最近作为一类在细胞中具有多方面作用的ncRNA出现。来自体外和体内实验研究的新证据表明，circRNA与脂肪形成和肥胖症的调节有关。为更好地了解circRNA在脂肪组织和代谢中的作用仍然需要继续努力，因为它们可能有助于加速其临床研究。
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