综述：环状 RNA：解锁神经系统疾病奥秘的新钥匙 —— 从机制解析到临床突破

为深入探究 circRNAs 在神经系统疾病中的作用，格里菲斯大学的研究人员开展了相关主题研究。结果发现 circRNAs 在多种神经疾病中表达失调，影响疾病进程。这为理解疾病机制、开发诊断和治疗方法提供新思路，值得科研读者阅读。

　　

神经系统疾病中的环状 RNA：计算识别、功能验证及潜在临床应用

奥克?哈齐马诺利斯，亚历克斯?M?赛克斯，亚历山大?S?克里斯蒂诺
? Crown 2025

近年来，随着生物技术的进步，尤其是高通量全 RNA 测序技术的发展，非编码 RNA（ncRNAs）受到了广泛关注。这些技术进步使人们对非编码生物学有了新的认识，发现基因组中约 80% 的非编码区域具有生化功能。在非编码 RNA 中，环状 RNA（circRNAs）自 1976 年首次被发现以来，已成为一个重要的研究领域。环状 RNA 在大多数人类细胞类型中含量丰富，具有进化保守性、高度稳定性，是由反向剪接事件产生的，形成共价闭合的末端。值得注意的是，环状 RNA 在神经组织中表达水平较高，并具有多种生化功能，包括作为微小 RNA（miRNA）的分子海绵、与 RNA 结合蛋白相互作用以调节其可用性和活性、调节转录和剪接，在某些情况下甚至可以翻译成功能性肽。计算和实验方法的最新进展提高了研究人员识别和验证环状 RNA 的能力，为了解其生物学作用提供了有价值的见解。这篇综述聚焦于环状 RNA 研究的最新进展，尤其是与神经精神疾病和神经退行性疾病相关的研究。研究人员还探讨了环状 RNA 在临床诊断、治疗中的潜在应用，以及未来的研究方向。环状 RNA 仍然是一个相对未被充分探索的非编码生物学领域，特别是在神经系统疾病的背景下。然而，越来越多的证据支持环状 RNA 在精神分裂症、双相情感障碍、重度抑郁症、阿尔茨海默病和帕金森病等疾病的病因和分子机制中发挥关键作用。这些发现表明，环状 RNA 可能为解释这些复杂神经系统疾病的分子功能障碍提供一个新的框架。

引言

自 1976 年环状 RNA 首次被发现以来，它们在很大程度上被视为 “垃圾 RNA”，只有少数被认为具有生化功能，主要是在病毒生物学领域。然而，在过去十年中，环状 RNA 已成为一个具有高影响力的研究领域，从古细菌到人类，研究人员在多个物种中鉴定出了许多环状 RNA 转录本。许多环状 RNA 在不同物种间具有高度的序列保守性，通过计算，研究人员已鉴定出超过 150,000 种独特的人类环状 RNA，其中一部分已通过实验验证。环状 RNA 在人体中广泛表达，呈现出细胞类型和组织特异性的表达模式。例如，在多巴胺能神经元、锥体神经元和神经胶质等神经元细胞中，研究人员观察到了不同的表达谱。此外，环状 RNA 在哺乳动物大脑中的表达水平明显高于其他组织。在神经元早期发育过程中，环状 RNA 的时间表达似乎是动态变化的，并且随着年龄的增长其表达水平会增加。研究人员已报道，在多种神经系统疾病中存在环状 RNA 表达失调的情况，这通常与生理过程的改变和功能差异有关。在这篇综述中，研究人员聚焦于五种疾病 —— 精神分裂症、双相情感障碍、重度抑郁症、阿尔茨海默病和帕金森病，突出人类和啮齿动物研究的关键发现，以探索环状 RNA 生物学的最新发现及其与神经系统疾病的相关性。

揭示非编码 RNA（ncRNA）生物学背后的复杂遗传机制，已成为开发神经系统疾病新治疗和诊断工具的有前景的前沿领域。随着关于非编码 RNA 生化功能的证据不断积累，它们受到了越来越多的关注，而其生化功能曾一度被低估。现在，研究人员预测，人类非编码转录组中约 80% 具有生化活性。一类值得注意的非编码 RNA 是环状 RNA。环状 RNA 是高度稳定的、共价闭合环状的非线性 RNA，由环化反向剪接事件产生。大多数环状 RNA 来源于蛋白质编码基因的外显子区域。根据涉及的剪接过程，单个基因可以产生多种环状 RNA 异构体，环状 RNA 可由外显子、内含子、基因间区域和非翻译区域的组合转录而来。这些转录本通常与前体 mRNA 在同一链上共转录生成，并且研究人员已知它们会与 mRNA 竞争表达水平。虽然大多数环状 RNA 来源于核基因组，但研究人员也鉴定出了一部分来自线粒体染色体的环状 RNA。

分子生物学和计算机科学的新进展为曾经被视为基因组 “垃圾” 部分的区域带来了新的认识。现在已证明，多种非编码 RNA 具有生化功能，在转录调控、转录后加工、蛋白质表达和剪接调控等细胞过程中发挥关键作用。虽然非编码 RNA 对大脑活动的全面影响仍有待阐明，但包括环状 RNA 在内的非编码 RNA 正被证明是理解神经系统疾病病因和病理生理学的宝贵工具，也是临床应用的潜在候选者。

环状 RNA 的分子特性

环状 RNA 的生物发生、转运、定位和降解的精确机制在很大程度上仍未解决。然而，目前的研究表明，人类环状 RNA 主要由外显子区域组成（约 60%），大多数环状 RNA 完全由蛋白质编码外显子构成。外显子环状 RNA 来源于前体 mRNA，前体 mRNA 首先进行经典剪接，然后进行反向剪接，大多数外显子环状 RNA 以依赖剪接体的方式共转录生成。通常情况下，这些环状 RNA 由两个或三个外显子组成，在剪接过程中，中间的内含子被切除。除了外显子环状 RNA，它们也可以来源于其他基因组区域，包括内含子 - 外显子区域、完全内含子区域和基因间区域。除了生物发生，环状 RNA 的功能还受到多种分子特性的影响，包括亚细胞转运和定位、降解途径以及蛋白质翻译能力，以下各节将对这些内容进行讨论。

生物发生

有几种不同的机制参与环状 RNA 的生物发生（图 1A）。大多数环状 RNA 是通过一种称为反向剪接的过程产生的，在这个过程中，前体 mRNA 的经典 5' 和 3' 剪接位点以相反的方向连接，形成 3 - 5′磷酸二酯键。这个过程受到反式作用因子的严格调控，如 RNA 结合蛋白（RBPs），包括 QKI（含 KH 结构域的 RNA 结合蛋白）和 NOVA2（NOVA 可变剪接调节因子 2），它们会二聚化，通过上游和下游内含子区域内的特定基序使剪接位点的距离更近。顺式作用元件在环状 RNA 的形成中也起着关键作用，例如，位于剪接位点附近的反向互补序列（如 Alu 元件）的侧翼内含子碱基配对可以相互配对，通过类似于 RNA 结合蛋白之间相互作用的机制促进环状 RNA 的生物发生。

作用于 RNA 的腺苷脱氨酶（ADARs）通过将腺苷转化为次黄嘌呤（A - to - I）的编辑过程，在环状 RNA 生物发生中发挥重要作用。这种编辑由反向互补序列的碱基配对引导，调节 RNA 二级结构的稳定性。通过改变这些结构，ADARs 调节调节性 RNA 结合蛋白的可及性，从而减少或增强反向剪接事件。此外，剪接体机制被认为直接参与环状 RNA 的形成，类似于经典剪接，尽管具体机制仍有待充分阐明。在内含子套索驱动的环化模型中，外显子跳跃后会发生内部反向剪接事件，产生一个缺少跳跃外显子的 mRNA，如果套索结构逃脱去分支作用，就可以形成环状 RNA。靠近 5' 剪接位点的 7 - 核苷酸 GU 基序和 11 - 核苷酸 C - 富集序列等序列元件可以保护套索不被去分支酶（如去分支 RNA 套索 1，DBR1）降解，促进环状 RNA 的形成。此外，已知 N6 - 甲基腺苷（m6A）RNA 修饰参与调节 RNA 代谢的各个方面，包括剪接、稳定性和翻译，也与环状 RNA 的生物发生有关。具体来说，位于 mRNA 起始密码子和终止密码子附近的 m6A 修饰外显子可以在核 m6A 读取蛋白 YTHDC1（YTH N6 - 甲基腺苷 RNA 结合蛋白 C1）的介导下进行反向剪接。

亚细胞转运和定位

由于环状 RNA 在细胞核中产生，并存在于各种亚细胞区室中，含有外显子的环状 RNA 主要定位于细胞质中，因此其核输出可能遵循严格调控的过程。涉及 RNA 结合蛋白、输出受体和 RNA 解旋酶的多种机制促进环状 RNA 的核输出（图 1B）。环状 RNA 核输出的主要机制依赖于 Ran - GTP 结合输出受体，它们通过核孔复合体运输环状 RNA。在哺乳动物中，输出蛋白 2（XPO2）起着关键作用，它输出约 80% 表达最丰富的环状 RNA。另一种重要的输出蛋白输出蛋白 4（XPO4）负责运输在脑组织中高度表达的一类独特的外显子环状 RNA。

除了依赖 Ran - GTP 的输出蛋白，研究人员还发现了涉及 RNA 解旋酶的长度依赖性机制。DDX39A（DExD - Box 解旋酶 39 A）和 DDX39B（DExD - Box 解旋酶 39 B）分别是短（小于 700nt）和长（大于 800nt）环状 RNA 输出所必需的。这种长度依赖性输出机制在多细胞动物中都有观察到，表明它在进化上是保守的。有趣的是，经典的 mRNA 输出因子，如 NXF1（核输出因子 1）、ALYREF（ALY/REF 输出因子）和 GANP（生发中心相关核蛋白），在环状 RNA 输出中参与度极低。这突出了环状 RNA 输出途径的独特性，其在机制上与线性 RNA 的输出途径不同。尽管如此，已知的 mRNA 输出系统 NXF1 - NXT1 途径已被证明参与运输富含 GC 的内含子环状 RNA，这展示了环状 RNA 输出机制的多样性和复杂性。

此外，RNA 甲基化，特别是 N6 - 甲基腺苷（m6A），在环状 RNA 输出中起着重要作用。核蛋白 YTHDC1 也参与特定环状 RNA 亚群的 m6A 依赖性生物发生，它介导 m6A 修饰的环状 RNA 的输出，包括 circNSUN2 和 circRNA3634。然而，并非所有 m6A 修饰的环状 RNA 都依赖 YTHDC1 进行输出。例如，在 YTHDC1 敲低后，circ - ZNF609 的生物发生减少，但其输出和稳定性不受影响，这表明 m6A 修饰的环状 RNA 输出涉及其他替代机制。

研究人员还在细胞外囊泡中发现了环状 RNA，细胞外囊泡是一类起源于多囊泡内体的腔内囊泡的细胞外囊泡。细胞外囊泡在细胞间通讯中起着关键作用，通常运输 RNA、蛋白质和脂质。有趣的是，相对于其在来源细胞中的丰度，环状 RNA 在细胞外囊泡中富集，这表明它们是被选择性运输到细胞外囊泡中的。尽管关于细胞外囊泡中环状 RNA 的研究仍处于初期阶段，但目前的大多数证据来自癌症和免疫学研究。研究人员提出了几种可能的机制来解释环状 RNA 被选择性包装到细胞外囊泡中的过程，如 RNA 结合蛋白识别特定的结合序列，类似于小 RNA 的选择性输出。其他潜在机制涉及长链非编码 RNA（lncRNAs）、微小 RNA（miRNAs）或环状 RNA 的大小作为选择性运输的决定因素。然而，环状 RNA 被选择性运输到细胞外囊泡的确切途径仍不清楚。

尽管在理解环状 RNA 的运输和亚细胞定位方面取得了进展，但仍有许多问题有待解决。其他与 RNA 输出相关的因子的参与情况仍不清楚，未来的研究可能会发现有助于特定环状 RNA 亚群运输的新途径或蛋白质。此外，专门的运输机制或组织特异性因子可能在大脑等器官中起着至关重要的作用，在这些器官中，环状 RNA 高度表达，并存在于神经突和突触小体中。

稳定性和降解

环状 RNA 的共价闭合环状结构使其缺乏游离的 5' 和 3' 末端，这使得它们比线性 RNA 更稳定，更能抵抗核酸外切酶的降解。在哺乳动物细胞中，大多数环状 RNA 的半衰期为 18.8 - 23.7 小时，比线性 RNA（半衰期为 4.0 - 7.4 小时）至少稳定 2.5 倍。这种延长的半衰期表明，环状 RNA 的衰变机制与线性 RNA 有很大不同，有几种分子特性会影响环状 RNA 的稳定性和降解，包括由 miRNA 结合介导的核酸内切酶活性、二级结构、RNA - DNA 双链体和 m6A 修饰（图 1C）。

环状 RNA 可以通过 RNA 干扰（RNAi）途径被核酸内切酶降解。由 miRNA 引导的 Argonaute - 2（AGO2）核酸内切酶参与了环状 RNA 的降解。例如，miR - 1224 与小鼠脊髓神经元细胞核中的前体 circRNA - filip1l 结合，以 AGO2 依赖的方式降低 circRNA - filip1l 的表达。另一个例子是 miR - 671，它指导 AGO2 介导对来自长链基因间非编码 RNA 632 基因（circLINC00632，也称为 circCDR1as）的环状转录本的切割，这一过程在大脑功能中起着重要作用。此外，GW182（含三核苷酸重复的衔接蛋白 6 A，TNRC6A）是 RNAi 途径的关键组成部分，它通过与 RNAi 机制无关的途径参与环状 RNA 的降解。

高度结构化的环状 RNA 可以被 RNA 结合蛋白复合物降解。例如，UPF1 RNA 解旋酶解开环状 RNA 的二级结构，使其能够被核酸内切酶 G3BP1（G3BP 应激颗粒组装因子 1）降解。一些环状 RNA，如 ci - ankrd52，可以在其转录位点形成 DNA:RNA 杂交体，维持开放的二级结构，与模板 DNA 形成稳定的 R 环，被 RNase H1 识别并降解。此外，在病毒感染期间，形成 16 - 26bp RNA 双链体的环状 RNA 可以被 RNase L 切割，RNase L 是一种在病毒感染时被激活的核酸内切酶。这种降解对于激活 PKR（一种双链 RNA 激活的蛋白激酶）是必要的，PKR 可以限制病毒和宿主蛋白的合成。具有 m6A 修饰的环状 RNA 会被 RNase - P/MRP 复合物靶向降解。这个过程需要 HRSP12（反应性中间亚胺脱氨酶 A 同源物，RIDA），它作为 m6A 读取蛋白 YTHDF2（YTH N6 - 甲基腺苷 RNA 结合蛋白 F2）和 RNase - P/MRP 之间的桥梁，促进 m6A 修饰的环状 RNA 的快速衰变。

目前，没有证据表明存在特定于环状 RNA 的经典降解途径。现有研究表明，多种细胞途径（其中一些与线性 RNA 共享）参与了环状 RNA 的降解。然而，这些途径的相对重要性以及是否存在仅适用于环状 RNA 的新机制，仍有待充分阐明。需要进一步的研究来揭示环状 RNA 稳定性和衰变的主要机制。

环状 RNA 的作用机制

miRNA 海绵

miRNA 海绵作用是环状 RNA 的一个众所周知的功能（图 2A），在这个过程中，环状 RNA 通过互补结合序列隔离 miRNA，降低其生物利用度。这种海绵作用抑制了 miRNA 介导的基因沉默，因为它阻止了 miRNA 与靶 mRNA 转录本的结合。通常情况下，miRNA 与 AGO2 形成复合物，其种子区域（一个保守的 2 - 8 核苷酸序列）与 mRNA 的 3' 非翻译区（3' UTRs）结合，导致含有互补 miRNA 反应元件的 mRNA 转录本降解。

miRNA 海绵作用最突出的例子之一是 circCDR1as，它含有超过 60 个与 miR - 7 互补的保守结合位点。相对于大多数环状 RNA，circCDR1as 的结合位点数量众多且表达水平较高，这使其能够紧密调节 miR - 7 的可用性，可能影响多个靶基因的表达。研究表明，miR - 7 的失调会损害大脑和胰腺的发育和功能，并且通过 α - 突触核蛋白表达的失调与帕金森病有关。与此一致的是，研究发现 circCDR1as 的异常表达在大脑发育、胰岛素产生和分泌以及促进鼻咽癌、骨肉瘤和黑色素瘤等癌症的细胞增殖和转移中发挥重要作用。

研究人员还发现了其他一些 miRNA 海绵作用的例子，这表明环状 RNA 可能作为 miRNA 诱饵，代表了一种关键的调控机制。例如，睾丸特异性环状 RNA 性别决定区 Y（circSry）作为 miR - 138 的海绵，尽管其功能影响仍有待确定。circNRIP1 作为 miR - 149 的诱饵，通过细胞外囊泡在胃癌细胞之间传递，影响 AKT1/mTOR 途径，促进肿瘤转移。在膀胱癌中，circHIPK3 含有两个与 miR - 558 互补的结合位点，其对 miR - 558 的海绵作用抑制了乙酰肝素酶（HPSE）的表达。

随着对环状 RNA 海绵作用研究的不断深入，越来越明显的是，这种机制在癌症和干细胞生物学中起着至关重要的作用。然而，仍有许多未知之处，特别是在大脑发育、神经功能和疾病方面。

蛋白质翻译

在真核生物中，mRNA 翻译通常依赖于线性 RNA 的 5' 和 3' 末端的化学修饰，这些修饰增强了 RNA 的稳定性、促进了运输并推动了蛋白质合成。5' 末端被甲基化鸟苷（m7G）加帽，通过 5′–5′三磷酸桥与 mRNA 连接，而 3' 末端被聚腺苷酸化，形成有效蛋白质翻译所需的聚（A）尾。然而，一些 mRNA 可以通过内部核糖体进入位点（IRES）进行不依赖于加帽的翻译，从而在不需要 5' 帽和 3' 聚（A）尾的情况下进行蛋白质合成。由于环状 RNA 具有共价闭合环结构，缺乏 5' 和 3' 末端，因此不依赖于加帽的翻译是其唯一可行的翻译机制（图 2B）。

近四十年前，研究人员首次在人类丁型肝炎病毒中观察到环状 RNA 的翻译，在该病毒中，一个含有开放阅读框（ORF）（具有起始和终止密码子）的环状 RNA 指导合成了一种 215 个氨基酸的蛋白质。随后在小鼠睾丸决定基因 Sry 中的研究进一步证实了环状 RNA 的翻译。后来的研究表明，含有 IRES 的合成环状 RNA 确实可以在体外进行翻译。最近，研究人员在体内证实了天然存在的环状 RNA 的翻译。通过结合