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综述| J HEMATOL ONCOL:肝癌代谢中的circRNAs

发布时间:2020-04-06浏览:556次

能量代谢的重编程是由基因组不稳定引起的肿瘤的1个标志。在肿瘤进展中广泛存在的代谢紊乱为癌细胞的生长和分裂提供了必要的来源。与正常成人组织相比,肿瘤内的碳水化合物、脂质和氨基酸代谢可能发生显著的转化变化(图1)。公认的癌症相关的代谢变化包括:葡萄糖和氨基酸摄取失调、利用营养获取的机会模式、利用糖酵解/三羧酸循环(TCA)、用于生物合成和NADPH生产的循环中间体,以及对氮需求的增加。研究肿瘤异常代谢的机制对制定有效的肿瘤治疗策略具有重要意义。 

这些能量代谢的重新定向是由蛋白质和非编码RNA (ncRNAs)共同调控的。作为1类新兴的调控分子,ncRNA已被证实可以控制肿瘤代谢。例如,长链非编码RNA PCGEM1可以促进前列腺癌(PCa)细胞的糖酵解促进对葡萄糖的摄取。同样,环状RNA (circRNA)作为ncRNA的另1种类型,也可能与癌症的代谢有关。

环状RNA是1种ncRNA,其结构包括3 '端无聚腺苷酸尾的共价闭合环和5 '端无聚腺苷酸尾的帽状结构。由于这种特殊的结构,环状RNA可以避免外切酶的降解,其半衰期比亲本mRNA (48h vs.10h)长得多。根据这1保守性,许多研究将注意力集中在环状RNA作为1种有前途的疾病生物标志物的潜在作用上。此外,越来越多的研究发现了环状RNA的调控功能。它们可以通过与mRNA或长链非编码RNA (long non-coding RNAs, lncRNAs)、海绵mRNA或RNA结合蛋白(RNA binding proteins, RBPs)相互作用直接调控转录。有些环状RNA甚至可以被翻译成蛋白质。我们有理由假设环状RNA可能通过吸收miRNA或其他靶点来调节肿瘤的代谢。因此,在这篇文章中,我们收集了可能影响新陈代谢的环状RNA,并将它们分为分别与碳水化合物、脂质和氨基酸相关的三组。本综述的目的是深入了解环状RNA与肿瘤代谢之间的关系,为临床癌症的诊断和治疗提供更好的理论基础。

1葡萄糖代谢中的circRNAs

 

葡萄糖代谢的改变是癌症zui明显的分化的1部分。正常情况下,细胞在有氧条件下通过氧化磷酸化来消耗葡萄糖产生ATP,只有在缺氧条件下才进行糖酵解。然而,即使在正常的环境下,癌细胞也喜欢糖酵解,这种现象被称为“Warburg效应”。Warburg效应在恶性肿瘤中起重要作用。首先,从氧化磷酸化到糖酵解的变化可以缓解线粒体引起的氧化应激损伤。其次,Warburg效应产生的过量乳酸有助于避免免疫监视。此外,值得注意的是,zui近的文献已经证明,由于ATP合成中的糖酵解效率低下,Warburg效应并不能解释主要的能量供应。因此,我们假设Warburg效应消耗大量的葡萄糖,要么创造1个高酸性的微环境,要么饿死附近的正常细胞。生成的乳酸也可以通过HIF1-α刺激血管生成。具体来说,Warburg效应是由葡萄糖转运蛋白、代谢酶和致癌基因的异常表达引起的。几个重要的信号通路也参与了这1过程的调控。下面,我们将阐述环状RNA对所有这些糖酵解相关通路的影响

1.1 CircRNAs通过调节转运蛋白和酶在糖酵解中发挥重要作用

由于碳水化合物代谢是提供能量的主要途径,1组代谢酶协同工作以维持这1过程的成功运行。首先,葡萄糖转运体(GLUT)负责葡萄糖的摄入。为了满足对葡萄糖的过度需求,GLUT1到GLUT4的GLUTs在肿瘤细胞中都过度表达。然后,三种限速酶,包括己糖激酶(HK)、6-磷酸果糖-1激酶(PFK)和丙酮酸激酶(PK)共同作用,将葡萄糖转化为丙酮酸。乳酸脱氢酶A (LDHA)是进行有氧糖酵解的zui1步,它可以催化丙酮酸生成乳酸。zui后,单羧酸转运蛋白(MCT)释放乳酸到细胞外基质。此外,丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)通过对抗催化丙酮酸脱氢酶(PDH)生成乙酰辅酶a来阻断传统的氧合酶。PDK1是PI3K/AKT通路的1个组成部分,影响细胞生长、分化和生存。

1些环状RNA可以影响这些酶。1些实验研究报道,在胰岛中大量存在的circHIPK3的沉默降低了编码GLUT2的Slc2a2的表达。CircHIPK3可作为miR-124海绵,抑制糖酵解的几种酶和转运蛋白的表达。据报道,另1种circRNA circ-Amotl1能够与PDK1和AKT1发生物理结合,并将其转移到细胞核内,以对抗细胞凋亡。这些环状RNA可能在肿瘤组织中诱发Warburg效应。

 

1.2 CircRNAs通过调节转录因子影响糖酵解 

癌症的代谢变化被视为分子转化过程的后续步骤。特异转录因子(TFs)也影响Warburg效应。circRNA作为ncRNA的1员,调控TFs的突变表达。因此,我们关注所选择的TFs来阐明环状RNA与TFs之间的关系

HIF-1

缺氧与Warburg效应密切相关。实体瘤在缺氧状态下必须进行糖酵解,而不能进行氧化代谢。在缺氧条件下,HIF-1α参与了1系列致癌基因的过表达。研究发现乳酸产量增加的比例与HIF-1α的水平相关,因为它促进了相关基因的转录过剩和糖酵解酶包括HK、PKM, MCT4。HIF-1α还增强了PDK1功能。

由于新生血管往往发生在肿瘤的周围,而不是在肿瘤内,较大的肿瘤更容易发生严重的缺氧。因此,肿瘤的大小和增殖率往往可以代表缺氧损伤的程度。CircDENND4C,发现在乳腺癌细胞调节HIF-1α,促进缺氧环境中细胞增殖。考虑到更大的物质消耗更多的能量需求和承受更极端的缺氧环境,circDENND4C应该会增强Warburg效应。在人类脐带血管内皮细胞(HUVECs) circ_0010729与HIF-1α共表达,特别是在低氧环境诱导HUVECs, circ_0010729过表达提高HIF-1α表达,并海绵式结合miR-186 [35]。在厚血管的支持下,更多的葡萄糖被带入肿瘤内部。因此,circ_0010729也可能通过促进血管内皮细胞的进展而促进糖酵解。

 

C-myc

C-myc是zui重要的致瘤转录因子之1,也可激活Warburg效应。异位c-myc可与HIF-1协同提高糖酵解组分GLUT1、HK2、PDK1水平。

在膀胱癌中,miR-145可以通过沉默c-myc来缓解Warburg效应。详细解释1下,聚嘧啶tract-binding protein1 (PTBP1)作为c-myc的下游诱导PKM2而非PKM1的上调。同时,miR-145可以抵消c-myc/PTBP1轴的功能,降低PKM2/PKM1比值。两个环状RNA与miR-145相互作用,1种是circRNA_001569在结直肠癌中海绵结合miR-145,另1种是circBIRC6。circBIRC6也靶向miR-34a,这是另1种抑制c-myc的miRNA。上述Circ-Amotl1也可以协助c-myc进行核转运,以防止c-myc的降解。除了c-myc外,circ-Amotl1还可以与经典的致癌蛋白如AKT和STAT3结合。因此,circ-Amotl1在不作为竞争性内源性RNA (ceRNA)的情况下,通过促进好氧糖酵解来促进肿瘤的发展是非常可行的。有趣的是,circ-FBXW7可以编码与去泛素酶USP28竞争性相互作用的蛋白FBXW7-185aa。因此FBXW7-185aa可以间接降解C-myc。Circ-FBXW7可能通过这种方式改善Warburg效应。

  

1.3 CircRNAs通过调节信号通路影响糖酵解 

有效的TFs共同形成1个影响Warburg效应的调控网络。该网络由不同的信号通路组成,不同的环状RNA参与其中。因此,对具有代表性的信号通路和相关环状RNA进行综述,有助于更全面地了解这1代谢机制。

 

PI3K/Akt 

PI3K/Akt通路在促进葡萄糖摄取和糖原合成方面起着关键作用。Akt可促进HK2和PFK2促进糖酵解。MTOR complex1作为Akt的下游可以使磷酸化elf4E-binding蛋白并支持HIF-1α促进GLUT1、HK2, PFK2。

首先,在胃癌中,circNRIP1可以通过海绵式靶向AKT1的miR149-5p来上调葡萄糖摄取并诱导乳糖化。第二,miR-150可能直接抑制Warburg效应。miR-150的下调通过增加p-Akt增强了卵巢癌细胞对帕妥珠单抗的耐药性。在骨肉瘤中,miR-150可能通过靶向GLUT1的3’UTR抑制糖酵解。在巨结肠病中,AKT3水平随着circ-ZNF609的升高而升高,而miR-150-5p的表达与circ-ZNF609和AKT3呈负相关。部分实验研究发现circ-ZNF609可能是miR-150-5p的靶位点。因此circ-ZNF609可能通过靶向miR-150-5p来促进AKT3,从而改善Warburg效应。还需要更多的研究来证实它在癌症代谢中的作用。在骨肉瘤中,circRNA_103801被发现与HIF-1和PI3K/AKT通路相关,其与miR-370和miR-877的结合被生物信息学工具预测。在卵巢癌中,miR-29b靶向AKT2和AKT3来缓和Warburg效应。在口腔鳞状细胞癌中,circRNA_100290通过海绵结合miR-29家族下调CDK6。同样,miR-124可以靶向AKT1和AKT2,降低GLUT1和HK2,减轻非小细胞肺癌细胞的Warburg效应。在血管平滑肌细胞中,circWDR77已被证实可以海绵结合miR-124。

 

RAS

KRAS突变发生在多种癌症中,尤其是结直肠癌、非小细胞肺癌和前列腺癌。KRAS的改变上调了GLUT1和糖酵解酶,促进了Warburg效应的发生。在膀胱癌中,异位表达circRNA-MYLK增加了RAS和下游Raf/MEK/ERK的表达。CircRNA-MYLK可以激活血管内皮生长因子A,作为miR-29a的ceRNA提高血液中葡萄糖。此外,根据ceRNA网络,lncRNA H19和circRNA-MYLK都是miR-29a-3p在乳腺癌中的ceRNA。H19在肝癌发生过程中可激活PKM2和PKM2多聚体,c-myc和HRAS表达上调。由此推断,circRNA-MYLK可能通过海绵作用使miR-29a释放更多H19以增加PKM2。类似地,circRNA_100290海绵式结合了整个miR-29家族,这可能有助于RAS的表达。

 

STAT3

STAT3通路导致炎症环境有利于癌变的发生。乳腺癌细胞实验表明,STAT3可直接上调HK2的表达。上述circ-Amotl1可与STAT3相互作用,显著增加细胞增殖。circ-Amotl1通过增加STAT3的表达和诱导STAT3的核分布来增强STAT3的表达。在骨肉瘤中,hsa_circ_0009910通过miR-449a作为中介间接促进STAT3。Circ_0009910可以海绵miR-449a拮抗IL6R。在肝细胞癌(HCC)中,IL6R增加了BCL-2和STAT3。解除对circ_0009910的调控后,可以降低p-STAT3和Bcl-2的水平。

 

Wnt/β-catenin

Wnt /β-catenin途径可以直接Warburg效应移植MCT1和基因的转录。突变Wnt信号可以激活β-catenin导致下游基因的过分活跃的反应。此外,原癌基因被确定为Wnt /β-catenin靶标。在乳头状甲状腺癌,circ-ITCH海绵结合miR-22-3p上调CBL(核β-catenin的1种 E3连接酶)。CBL不利于肿瘤的生长和发展,可以降低β-catenin。所以circ-ITCH可能通过削弱Wnt /β-catenin通路的激活抑制Warburg效应。此外,circRNA_102171,circ_0067934, circRNA_100290分别针对CTNNBIP1 Wnt/β-catenin通路,mir-1324,和mir-516b,而circ_0006427通过靶标mir-6783-3-p使Wnt/β-catenin通路失活。

 

2 脂质代谢中的circRNAs

 

激活脂质产生是肿瘤代谢的另1个标志,因为癌细胞的生长需要脂肪酸(FAs)来复制细胞膜。内源性脂肪酸合成(FAS)在各种肿瘤中被触发。乙酰辅酶a可由ATP柠檬酸裂解酶催化的柠檬酸转化为乙酰辅酶a。FA生物合成的第1步是通过乙酰辅酶a羧化酶将胞质乙酰辅酶a转化为丙二酰辅酶a。然后,脂肪酸合成酶(FASN)催化malonyl-COA形成长FA链。相反,脂质动员改变也与肿瘤进展相关。例如,脂肪分解增加导致1种称为癌症恶病质的消瘦综合征,其特征是急性脂肪损失。肿瘤细胞可以通过脂类分解获得FAs FAβ-oxidation (FAO)对肿瘤增殖提供能量。由于Warburg效应,葡萄糖产生的乙酰辅酶a较少,而FAO可以弥补这1缺陷。此外,脂吞噬,即脂质自噬降解,是脂质利用的另1途径。近年来的研究表明,脂质吞噬是1种非常保守的脂质降解机制。溶酶体借助噬菌体对脂滴进行消化,产生游离FAs。

据报道,circRNA_0046367表达与HepG2细胞培养及肝组织甘油三酯(TG)水平呈负相关。CircRNA_0046367可能海绵结合miR-34a保护过氧物酶体激活增生受体α(PPARα)的转录抑制。PPARα激活CPT2和ACBD3来降解脂质。因此,circRNA_0046367可能通过上调FAO来促进肿瘤的进展。CircGFRA1在三阴性乳腺癌中吸引miR-34a作为ceRNA,释放GFRA1的抑制作用,诱导自噬。还需要更多的研究来证实circGFRA1与GFRA1是否可以促进肿瘤代谢中的脂质吞噬。相反,脂肪细胞外泌体释放的circ-DB也会干扰miR-34,但似乎会提高HCC患者的体脂比。体脂比越高的HCC患者,肿瘤进展越快,预后越差。在这种情况下,circ-DB可能通过FAS促进了HCC的进展。然而,这种机制与circRNA_0046367是矛盾的,circRNA_0046367的靶标也是miR-34a。考虑到肥胖组织中miR-34a的表达增加导致脂肪褐变和体重减轻,circ-DB功能的差异可能是由外泌体中的脂质引起的。但真正的机制仍然难以捉摸。高脂肪刺激后,circRNA_021412在HepG2细胞中下调,导致miR-1972的活化。增加mir-1972 LPIN1水平降低,可配合PPARα招募长链酰coa合成酶。LPIN1的抑制抑制了粮农组织,导致肝脂肪变性。circRNA_021412/miR-1972/LPIN1轴也可能参与了肿瘤的进展。在PCa中发现circ_0057558的表达与TG水平呈正相关。PCa是1种受脂质代谢异常影响的激素依赖性癌症。因此,circ_0057558可能通过调节脂质水平来促进前列腺癌的进展。CircFARSA在肺腺癌中被发现高表达,根据算法分析,它可能通过miR-330-5p和miR-326与FASN相互作用。在喉部鳞癌中,根据ceRNA网络分析和功能注释分析,hsa_circ_0033988低表达并与FA降解相关。这些由特殊算法计算出的结果还有待于进1步的体内外实验验证

3 氨基酸代谢中的circRNAs

 

自20世纪50年代以来,科学家发现肿瘤细胞消耗的谷氨酰胺比任何其他氨基酸都要多。谷氨酰胺酶催化谷氨酸转化为谷氨酸。随后,谷氨酸能提供氮嘌呤和嘧啶的生物合成,或参与三羧酸循环转换α-酮戊二酸。谷胱甘肽是1种重要的细胞抗氧化剂,也来自谷氨酸。因此,谷氨酰胺在肿瘤进展中起重要作用。

尽管缺乏直接证据,但科学家们通过综合分析研究了环状RNA对谷氨酰胺代谢的影响(表3)。在胶质母细胞瘤中,功能分析预测环状RNA可能参与了glutamergic synapse和钙信号传导。计算分析发现circRNA_002581/miR-122/Slc1a5轴在非酒精性脂肪性肝炎中存在。Slc1a5是1种谷氨酰胺转运蛋白,需要进行生物学研究来评价circRNA_002581与谷氨酰胺代谢的关系。

4 氧化磷酸化中的circRNAs

 

由于肿瘤微环境中细胞增殖和缺氧所积累的电子传递通量,不断产生活性氧(ROS)是癌症的另1个特征。过表达的ROS可发展为氧化应激,zui终导致致癌基因诱导的细胞衰老。虽然过量的ROS对细胞生长有害,但适量的ROS有利于维持致瘤状态。容许的ROS水平不仅激活HIF1-αNRF2但抑制蛋白质磷酸酶PTEN等。因此还原-氧化(redox)稳态是癌症代谢的重要组成部分。有研究表明,NRF2敲除小鼠黑质和纹状体中有几种环状RNA与对照组相比有差异表达。在心肌细胞ROS反应中增加CircNCX1可以通过海绵作用使miR-133a-3p释放促凋亡基因CDIP1。这些与ROS相关的环状RNA也可能调节肿瘤细胞的氧化还原平衡

叶酸循环在NADPH的产生中起主导作用,NADPH能有效拮抗ROS。研究指出,HCC和PCa细胞生长需要叶酸。在PCa中,circ_0062019及其宿主基因SLC19A1显著上调。SLC19A1可以编码膜蛋白运输叶酸。这1结果提示circ_0062019可能通过叶酸循环促进前列腺癌的进1步增殖。

 

归纳分析

 

环状RNA的主要调控机制可以分为三个方面。首先,具有miRNA响应元件的环状RNA可以作为ceRNAs来海绵miRNA。由于环状RNA缺少poly(A)尾巴和5 '端,因此很难被降解。因此,1小部分环状RNA可以抑制大量的miRNA。其次,它可以与RNA聚合酶II或剪接因子相互作用,调节基因转录。zui后,它们可以与RBP结合,与RBP底物竞争。根据zui新的研究,我们发现大多数环状RNA通过海绵miRNA调节癌症的代谢。此外,circ-FBXW7作为其线性对应物的替代品吸引了USP28。Circ-Amotl1诱导了PDK1、AKT1和c-myc的核转位。这些特殊的机制拓宽了环状RNA的研究视野,可能成为构建新型调控系统的桥梁。

能量代谢改变作为癌症的核心标志,有其特殊性和特殊性。1方面,新陈代谢由独特的化学物质、转运物质和酶组成,为提供必要的营养物质而运行。另1方面,TFs和ncRNAs也支持解除细胞能量代谢的调节,它们涉及到癌症的其他核心特征,如增殖和转移。在某种程度上,能量代谢的改变只是癌基因编程的另1种表现形式。因此,首先,我们收集了直接调节酶的环状RNA,比如影响GLUT1的环状pk3。另1方面,我们记录了与TFs相关的circRNAs和帮助形成异常代谢过程的通路,如circ-Amotl1和circRNA_100290。结果明确了环状RNA在调节细胞代谢方面的重要作用。

自2015年以来,科学家们注意到,与亲代细胞相比,环状RNA在外泌体中富集,许多研究者关注环状RNA与外泌体之间的关系。外泌体也参与了癌症的突变代谢。它们为肿瘤的生长提供必要的营养物质,并通过转运ncRNA来调节信号通路。引人注目的是,在前列腺癌或胰腺癌中添加外泌体可以促进糖酵解并减少OXPHOS。然而,潜在的机制仍有待阐明。根据我们收集的代谢环状RNA,外泌体可能利用环状RNA调节代谢。

近年来,人们对肿瘤干细胞的代谢表型进行了深入的研究。据报道,高水平的葡萄糖摄取干扰了干细胞的自然分化。不断的干细胞代谢为Warburg效应奠定了基础。细胞的新陈代谢似乎控制着“茎干”的特性。已有文献报道环状RNA与CSCs有关。例如,circRNA VRK1被发现与乳腺癌干细胞呈负相关。CircBIRC6可以通过与人胚胎干细胞(hESCs)中的miR-34和miR-145结合来维持干细胞的多能性并抑制其分化。CircBIRC6还具有与初级谱系分化相关的其他几种miRNA的结合位点,包括let-7、miR-92和miR-103。上皮-剪接调控蛋白1 (ESRP1)由多潜能相关基因NANOG和OCT4调控,在hESCs中负责circBIRC6的生物合成。因此,circBIRC6可能通过抑制癌细胞的分化来诱导Warburg效应。此外,粮农组织在CSC的增长中发挥着不可或缺的作用。造血干细胞和白血病启动细胞似乎依赖粮农组织完成自我更新。这1发现表明,在粮农组织中表达的环状RNA可能调节CSCs。

在研究与癌症代谢相关的环状RNA的过程中,1个挑战是缺乏直接的证据,因此需要在这1领域进行进1步的研究和验证。1方面,尽管先进的计算模型指出了几个circRNA-miRNA轴,但其中很少有被体内外实验证实的。另1方面,我们假设环状RNA可能通过直接或间接调节特殊的TFs参与癌症的代谢。但是,由于复杂的细胞内调节机制,TFs改变的影响可能通过相应的下游反馈得到补偿。对circRNA过表达或下调前后的代谢水平进行测量是不可避免的。此外,重要的致癌TFs涉及多种代谢途径。例如,C-myc可以促进糖酵解和谷氨酰胺代谢。因此,环状RNA可能不只是1个通路。zui后,1些实验室已经确认环状RNA在多种代谢性疾病中发挥调节作用,但目前还没有足够的证据来解释环状RNA在癌症代谢中的作用。

尽管存在这些缺陷,circRNA因其极高的稳定性、强大的进化保守性和独特的时空表达而被认为是1种潜在的精确调控代谢的治疗方法。随着越来越多的ncRNAs成为代谢调节的重要参与者,circRNAs可能成为整个ncRNA网络的切入点,为癌症的临床治疗带来了广阔的前景。

 

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