RNA沉默：环状RNA（circRNA）的来源、机理与临床应用；ceRNA分子海绵机制

 

来源公众号：学甫无境　作者：王甫荣

问题的提出：近几年生物学试题中频繁出现非编码RNA新情境，circRNA环状闭合RNA已经成为细胞凋亡、基因表达调控大题的热门命题素材。下列经典试题以细胞凋亡调控为背景，画出了circRNA、miRNA与靶基因mRNA三者的相互作用网络。很多同学只能看懂字面逻辑，却不明白：miRNA为什么能阻断蛋白质合成？circRNA又是凭借什么结构抢走miRNA？这种基因抑制现象，就是分子生物学里经典的RNA沉默，包含ceRNA分子海绵机制。

今天以题图为骨架，拆解ceRNA “分子海绵” 调控机理，拓展circRNA的形成来源，同时梳理它在肿瘤诊断、基因治疗中的前沿应用，打通考题与科研热点之间的壁垒。

试题：研究表明，circRNA是料细胞内一种环状闭合RNA，可通过miRNA（细胞内一种单链小分子RNA）调控P基因表达，进而影响细胞凋亡，其大致调控机制如图。

（1）图中DNA片段上的基因是指_______，一个DNA分子中所有基因的碱基总数应 _______（填“大于”、“小于”或“等于”）DNA分子的碱基总数。 
（2）催化过程①的酶是_______ ，与过程②相比，该过程中特有的碱基配对方式是_______。 
（3）②过程所需的原料是_______，②过程中某tRNA上的反密码子为3′-AAG-5’，则该tRNA搬运的氨基酸为_______ （可能用到的密码子：AAG—赖氨酸、UUC—苯丙氨酸），氨基酸结合在tRNA的 _______（填“3’”或“5’”）端。 
（4）circRNA是一种环状闭合RNA，是链状RNA的首尾通过磷酸与_______（填物质名称）连接起来形成的。 
（5）图中P基因mRNA的a端为_______（填“3’”或“5’”）端，其最终合成的P1、P2、P3三条多肽链的氨基酸序列 _______（填“相同”或“不同”）。 
（6）据图分析，circRNA_______( 填“促进”或“抑制”）细胞凋亡。miRNA表达量升高也可通过阻止P基因表达的_______（填“转录”或“翻译”）过程，从而调控细胞凋亡。

答案：（1）具有遗传效应的DNA片段；小于  （2）RNA聚合酶；T-A  （3）氨基酸；苯丙氨酸；3′  （4）核糖  （5）5’；相同  （6）抑制；翻译

解析：（1）基因是具有遗传效应的DNA片段，是遗传物质的结构和功能单位。DNA分子中除了编码蛋白质的基因序列外，还存在大量不具有遗传效应的非编码序列，因此一个DNA分子中所有基因的碱基总数小于DNA分子的碱基总数。 

（2）过程①是以DNA为模板合成RNA的转录过程，催化该过程的酶为RNA聚合酶。转录的碱基配对方式为A-U、T-A、G-C、C-G，过程②翻译的碱基配对方式为A-U、U-A、G-C、C-G，因此转录特有的碱基配对方式为T-A。 

（3）过程②为翻译，是以mRNA为模板合成多肽链的过程，所需原料为氨基酸。tRNA的反密码子与mRNA上的密码子反向互补配对，已知为反密码子为3′-AAG-5’，对应mRNA上的密码子为5′-UUC-3’，结合给出的密码子表可知为该密码子对应苯丙氨酸。tRNA的3’端是氨基酸的结合位点，氨基酸会结合在该位置。 

（4）RNA的基本组成单位是核糖核苷酸，相邻核糖核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，即一个核苷酸的磷酸与下一个核苷酸的核糖相连，因此链状RNA首尾连接形成环状时，是磷酸与核糖连接。 

（5）翻译过程中，核糖体沿mRNA从5’端向3’端移动，移动过程中肽链逐渐延长，图中P3肽链最长，说明核糖体向远离a端的方向移动，因此a端为5’端。P1、P2、P3三条多肽链是以同一条mRNA为模板合成的，模板序列相同，因此氨基酸序列相同。

 （6）由图可知为，circRNA可与miRNA结合，使miRNA无法与P基因的mRNA结合，保证P蛋白正常合成，而P蛋白可抑制细胞凋亡，因此circRNA抑制细胞凋亡。miRNA与P基因mRNA结合后，会阻碍核糖体与mRNA的结合，从而阻止P基因表达的翻译过程。
ceRNA分子海绵机制

ceRNA=竞争性内源RNA（competing endogenous RNA），包含三大类分子：circRNA（环状RNA）、lncRNA（长编码RNA）、mRNA。它们拥有共同的特点：都带有能和miRNA互补配对的结合位点。

一、ceRNA分子海绵机制

miRNA会与靶mRNA互补配对，抑制翻译，产生RNA沉默。circRNA、lncRNA、mRNA这类ceRNA，拥有相同的miRNA结合序列，彼此争夺细胞内有限的miRNA。其中circRNA结构稳定、结合位点丰富，如同一块分子海绵，大量吸附miRNA，使miRNA无法再作用于靶基因mRNA，从而解除翻译抑制，上调蛋白质的合成量。这就是新高考频繁考查的ceRNA调控网络。

二、试题图中完整调控链条（对应原题）

M基因转录生成线性前体RNA，经反向剪接首尾相连，形成无游离末端的环状 circRNA；P基因转录出P基因mRNA，准备启动翻译合成P蛋白。

miRNA是小分子非编码RNA，能够与 基因的mRNA碱基互补配对，阻断核糖体继续移动，直接抑制翻译过程，这一过程就是转录后水平的RNA沉默。

circRNA拥有大量miRNA 的结合位点，可以竞争性吸附miRNA，像海绵一样把miRNA牢牢锁住，让miRNA无法再结合P基因mRNA。

翻译抑制被解除，P蛋白合成量上升；而P蛋白会抑制细胞凋亡。circRNA通过吸附miRNA，解除RNA沉默，促进P蛋白合成，最终抑制细胞凋亡。

三、circRNA的来源（形成过程）

生成方式：反向剪接。由基因转录出的前体mRNA（pre-mRNA）发生特殊剪接：下游外显子反向连接到上游外显子，线性RNA首尾依靠磷酸二酯键闭合，形成环状分子。

化学键结构：线性RNA的5′磷酸端与3′核糖羟基相连，形成磷酸二酯键，最终形成没有 5′帽子、没有3′polyA尾的闭合环状RNA，对应考题第（4）小问：磷酸与核糖相连。

三大类型：外显子型circRNA（细胞中最常见）；内含子型环状RNA；外显子-内含子混合型circRNA。

结构优势：没有游离末端，不会被核酸酶降解，稳定性远高于普通线性RNA，在细胞内长期稳定存在。

四、circRNA前沿应用（新高考信息题素材）

1.肿瘤分子诊断标志物

肿瘤细胞内circRNA的表达量会显著异常。由于环状RNA稳定性极强，可以在外周血液中稳定检出，可作为肺癌、肝癌、胃癌无创筛查的新型分子指标。

2.癌症基因靶向治疗

人工合成circRNA海绵吸附致癌miRNA，解除抑癌基因的翻译抑制，恢复抑癌蛋白合成，抑制肿瘤细胞无限增殖与凋亡逃逸。

3.mRNA疫苗优化

环状RNA不易被降解，半衰期更长，如今已经被用来改造新一代长效RNA疫苗，大幅延长蛋白表达时间。

4.细胞凋亡研究模型

通过调控circRNA的表达，人为调控细胞凋亡强度，用于抗衰老、缺血性疾病的基础科研。

总之，上述试题circRNA凭借环状结构竞争性结合miRNA，解除RNA沉默，上调P蛋白含量，最终抑制细胞凋亡。掌握ceRNA分子海绵模型、RNA沉默的调控层级、circRNA的剪接来源，今后再遇到环状RNA、miRNA、lncRNA类新情境大题，就能快速理清竞争结合的逻辑关系。

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