心血管疾病仍然是全球主要的公众健康问题,并且是全世界高发病率、高病死率的首要病因之一[1]。心肌损伤后,心肌纤维化是一个持续进展且不可逆的病理过程,其显著特征是细胞外基质蛋白在心肌间质中积聚[2]。心肌纤维化导致心肌损伤和进行性心脏功能障碍,进而影响心血管疾病患者的临床预后[3]。心肌纤维化的机制是复杂的,目前仍未完全了解,因此迫切需要提升应对心肌纤维化导致心肌功能损伤的策略,从而进一步降低心血管疾病患者的发病率和病死率。
非编码RNA（ncRNA）是一大类不能编码蛋白质的RNA分子,在基本生理过程以及作为许多疾病检测手段和临床治疗途径方面发挥着重要作用[4]。基于核苷酸的长度,ncRNA分为两类：微小RNA（miR）包含19~24个核苷酸和长链非编码RNA（lncRNA）至少包含200个核苷酸[5]。除了线性ncRNA之外,据报道环状RNA（circRNA）作为一类新型的ncRNA,在许多疾病的病理生理过程中或许可能成为一种新型且重要的调节剂[6]。已知circRNA可通过miRNA海绵,与RNA结合蛋白（RNP）相互作用调节信使RNA（mRNA）的剪接和稳定性来调节靶基因的表达[7]。本文我们将总结circRNA的生物起源及生物学功能,以及circRNA在心血管疾病（尤其是在心肌纤维化中）的作用。
一、circRNA的生物起源及功能
1. circRNA的生物起源
circRNA早在二十世纪九十年代已有首次记载,据报道目前为止高通量测序已发现超过32 000种 circRNA[8]。circRNA被认为是标准线性mRNA剪接的次级产物,根据其生物合成方式,它们通常分为3种类型：衍生自外显子的circRNA、衍生自内含子的circRNA和衍生自保留内含子的外显子的circRNA[9]。“反向剪接”是介导circRNA形成的独特剪接机制[10]。这种独特的RNA种类是mRNA前体（前mRNA）剪接产生的,主要是通过一个或两个外显子的反向剪接形成[11]。越来越多的研究提出了两种模型来说明circRNA生物起源中反向剪接环化的机制：外显子跳跃模型和直接反向剪接模型,但以上两种模型仍在进一步研究中[12]。
2. circRNA的生物功能
与miR和lncRNA相比,circRNA已经被证明具有miR的海绵,与RNP结合,组装支架形成,剪接、增强转录以及翻译成蛋白质或多肽的功能[13]。circRNA作为miR“海绵”使得miR不能与其靶基因结合,因此在转录控制中起重要作用[14]。circRNA不仅能与miR结合,而且还能与蛋白质结合,这将导致蛋白质功能受到抑制[15]。此外,据报道,细胞核circRNA通过与宿主基因启动子区域中的RNA Pol Ⅱ反应来调节顺式基因的转录[16]。尽管circRNA不包含5’-末端,通常也不编码蛋白质,但是一些circRNA可以通过卷环扩增机制编码蛋白质。据报道,人类circ-ZNF609和果蝇circMbl以仅依赖剪接且不依赖5’-末端的方式翻译成蛋白质[17]。
二、circRNA与心肌纤维化关系
三、circRNA在心肌纤维化中的作用
1. circRNA作为新型生物标志物的潜力
尽管所有类型的ncRNA都可能作为疾病诊断的生物标志物,但是circRNA的某些重要特征使其更具独特性和优势。首先,circRNA圆形3’和5’末端保护它们免受RNase R的降解,从而使circRNA在细胞外液中更加稳定,并提供了易于检测的合适条件[22]。其次,circRNA存在于全血中,在血浆、血清、血小板、外周血单个核细胞和细胞外囊泡（如外泌体）中具有较长的半衰期[23]。再次,对心肌组织的深度测序分析明确了人和小鼠器官中circRNA的进化、保守和发育阶段特异性以及组织细胞特异性表达[24]。因此,这些特征较好地展示circRNA成为新型生物标志物的独特自身优势,为许多疾病提出了新颖的诊断和预测手段。
2. circRNA作为心肌纤维化治疗靶标的潜力
2.1 circRNA_000203
circRNA_000203在糖尿病心肌中和用血管紧张素Ⅱ诱导的心肌成纤维细胞（CF）中表达显著增加。circRNA_000203的过度表达尤其增加CF中胶原蛋白1A2、胶原蛋白3A1和α-平滑肌肌动蛋白的表达。此外,双荧光基因检测表明,circRNA_000203可以通过减弱miR-26b-5p与结缔组织生长因子和胶原蛋白1A2的相互作用来抑制miR-26b-5p的抗纤维化作用[25]。
2.2 circRNA_010567
circRNA_010567在糖尿病小鼠心肌组织中和血管紧张素Ⅱ诱导的CF中表达明显增高。基于生物信息学分析和双荧光测定,报告显示circRNA_010567可以作为miR-141海绵,从而调节转化生长因子-β1（TGF-β1）的表达。circRNA_010567表达沉默后,miR-141上调和TGF-β1下调,并抑制CF中纤维化相关蛋白的表达,例如胶原蛋白Ⅰ、胶原蛋白Ⅲ和α-平滑肌肌动蛋白等蛋白表达。一般认为,circRNA_010567的过度表达通过靶向miR-141/TGF-β1轴增加了与纤维化相关蛋白的表达[26]。
2.3 circNCX1
circNCX1是NCX1基因的环状转录物,通过海绵miR-133a-3p调节心肌纤维化。在小鼠中使用短发夹RNA抑制circNCX1的表达,显示小鼠心肌缺血再灌注区域胶原蛋白显著减少,并且心脏功能有所改善[27]。
2.4 circHIPK3
最新的一项研究表明,从HIPK3基因衍生的circRNA命名为circHIPK3,经血管紧张素Ⅱ处理后,该circRNA在心肌组织和CF中表达显著升高。在血管紧张素Ⅱ模型中,circHIPK3表达沉默可降低心肌纤维化区域的大小并改善舒张压。此外,circHIPK3表达沉默后观察到CF增殖和迁移受到抑制。双荧光素酶基因测定表明,circHIPK3通过海绵化miR-29b-3p发挥其调节功能,以调节心肌纤维化并降低其靶基因（胶原蛋白1A1、胶原蛋白3A1和α-平滑肌肌动蛋白）的表达[28]。
2.5 circNFIB
最近,Zhu等[29]研究报道circNFIB通过海绵化miR-433发挥至关重要的抗心肌纤维化作用。结果表明,circNFIB过度表达可以抑制CF的增殖。相反,敲除circNFIB基因可以促进CF的增殖。研究表明,circNFIB-miR-433轴可能作为治疗心肌纤维化的潜在干预途径。
2.6 circFndc3b
此外,据报道circRNA通过与蛋白质结合来调节某些蛋白质的功能。例如,一项研究报告表明circFndc3b可以调节融合蛋白的功能进而调节血管内皮生长因子信号传导。数据表明小鼠心肌梗死后8周,circFndc3b过表达通过增强新生血管形成和减少梗死区域的纤维化而表现出心脏保护作用。在功能上,circFndc3b与融合的RNA结合蛋白相互作用,进而调节血管内皮生长因子的表达和信号传导,提示circFndc3b可作为改善心肌梗死后心功能和心肌重塑的潜在策略。
四、总结与展望
由于心肌纤维化的生物学基础和纤维化病理机制仍不十分清楚,因此目前尚无有效的治疗方法可用于抑制心肌纤维化的进展。越来越多的证据表明,ncRNA是纤维化过程中（例如细胞因子分泌和细胞外基质合成）的关键组成部分。特定的ncRNA在心血管疾病（尤其是心肌纤维化）中作为新型的生物标志物和治疗靶标。在ncRNA中,人们对circRNA知之甚少,其在多种生理和病理过程中的功能仍未完全了解。circRNA的生物学特性（包括体液的保守性、稳定性和高丰度） 使其比其他ncRNA更有效地诊断和治疗疾病。如上所述,尽管基于circRNA的治疗技术手段将面临许多挑战,但circRNA仍被视为抗心肌纤维化的重要参与者,并且有望成为心肌纤维化重要的调节剂。
circRNA曾经一度被认为是异常剪接的副产物,随着高通量测序技术的进步其广泛的生物学功能被发掘,逐渐成为研究课题的主要热点。从基因表达调控到翻译以及和mRNA竞争,circRNA都发挥着至关重要的作用,有可能成为疾病治疗的靶标和生物学标志物。但是,关于circRNA基因表达模式和其在生理、病理状况下的作用机制以及其作为诊断性生物标志物的潜力和作为治疗靶标的潜在用途的认识仍处于早期阶段。是否更多的circRNA在心肌组织不同类型细胞中发挥作用仍有待研究。另外,关于circRNA调节心肌纤维化作用的详细机制尚未完全明确,需要进一步的研究来推导circRNA与蛋白质、ncRNA相互作用介导的确切机制。