Revisión de temas de actualidad | Nuevas funciones de los circRNA en cáncer y oncología
La producción biológica de circRNA se basa en el mecanismo de empalme típico, pero su eficiencia es mucho menor que la del empalme lineal convencional. Sin embargo, una vez que se forman los circRNA, son particularmente estables y pueden acumularse en el citoplasma.
El empalme típico de ARN conecta el sitio de empalme 5' aguas arriba (donante de empalme) con el sitio de empalme 3' aguas abajo (aceptor de empalme) a través de un intrón, lo que da como resultado la eliminación de intrones entre exones adyacentes. Sin embargo, muchos pre-ARNm se pueden empalmar hacia atrás, es decir, el donante de empalme aguas abajo se conecta al aceptor de empalme aguas arriba, que abarca uno o más exones, para generar un ARNcirc * * * cerrado. Para muchos genes, existe competencia entre el empalme lineal y el empalme inverso del pre-ARNm, y varios factores afectan el equilibrio de estos dos modos de empalme. En el cáncer, este equilibrio a menudo se altera, lo que resulta en un desequilibrio en la expresión del circRNA.
El empalme hacia atrás requiere rodear los intrones en ambos lados de los sitios donantes de empalme aguas abajo y aceptores de empalme aguas arriba, acercando estos sitios de empalme para generar cirrnas exónicos (ECIRRNA). Alternativamente, si el intrón se retiene en el bucle, se generan ARN circulares exón-intrón (EIciRNA). La dimerización de repeticiones intrónicas invertidas (como elementos Alu), secuencias complementarias no repetitivas o proteínas de unión a ARN (RBP) pueden promover la formación de estructuras en bucle.
Un nuevo tipo de circRNA, ¿lectura completa? Los CircRNA se producen por falla en la terminación de la transcripción, y las transcripciones se extienden a genes posteriores y luego se amplifican en la dirección inversa. Por tanto, los circRNA pueden contener exones de genes adyacentes. Se ha demostrado que la eficiencia general de la terminación de la transcripción está alterada en el cáncer, lo que plantea la posibilidad de que los circRNA de lectura influyan en los fenotipos de la enfermedad.
Las translocaciones cromosómicas pueden conducir a la fusión de circRNA (f-circRNA) debido a la yuxtaposición de secuencias complementarias en los intrones aguas arriba y aguas abajo de la unión de translocación, que pueden promoverse independientemente de sus contrapartes de proteínas de fusión. desarrollo. Combinado con proteínas de fusión oncogénicas, el f-circRNA puede incluso promover la progresión de la leucemia in vivo.
Además, el ARNcirc puede sufrir un silenciamiento transcripcional específico del cáncer mediante la hipermetilación del promotor del gen huésped o modificaciones alteradas de las histonas.
Los EcircRNA se localizan principalmente en el citoplasma, mientras que los EIciRNA y ciRNA suelen permanecer en el núcleo. No se comprende completamente cómo se exporta el circRNA desde el núcleo, pero se ha demostrado que la ARN helicasa DDX39A dependiente de ATP y la ARN helicasa de empalme DDX39B están involucradas en este proceso de una manera que depende de la longitud del circRNA. Además, la modificación de N6-metiladenosina (m6A) aparece a menudo en el circRNA y se ha demostrado que afecta su nucleación.
El ARNcirc es resistente al mecanismo de degradación del ARN lineal, y es necesario dilucidar por completo el mecanismo de degradación del ARNcirc. Por ejemplo, ciRS-7 (también conocido como CDR1as) puede ser degradado por el sitio de unión altamente complementario de un miARN específico, miR-671, que puede desencadenar la escisión del dúplex de ARN bicatenario resultante por Argonaute 2 (AGO2), un ARN Componentes clave del complejo silenciador inducido. A un nivel más global, las ribonucleasas han sido implicadas en la degradación del circRNA. Además, el circRNAA altamente estructurado puede ser degradado por las helicasas dependientes de ATP UPF1 y G3BP1, y su modo de degradación puede depender de la actividad endonucleasa intrínseca de G3BP1.
El circRNA ejerce sus funciones a través de múltiples mecanismos, afectando así la aparición y el desarrollo del cáncer.
La secuencia, la estabilidad, la modificación postranscripcional, la estructura secundaria, el modo de acumulación y la ubicación del circRNA determinan su función.
Esponja de microARN. Los CircRNA ubicados en el citoplasma pueden participar en la regulación génica postranscripcional esponjando los miRNA, evitando así que miRNA específicos interactúen con los mRNA diana y los inhiban. CiRS-7 es el mejor candidato para una esponja de miARN, ya que contiene más de 60 sitios de unión para miR-7 y puede funcionar como un ARN endógeno competitivo (ARNce) en algunos tejidos. Sin embargo, la idea de que ciRS-7 funciona como un ARNce en células cancerosas ha sido cuestionada y se deben tener en cuenta algunas controversias en el campo al inferir las características de esponja de miARN de los ARNcirc. CircHIPK3 es otro ejemplo de un circRNA con posibles propiedades de esponja que puede unirse a varios miRNA diferentes, incluido el supresor de tumores miR-124. Silenciar este circRNA puede inhibir el crecimiento celular.
Interacciones proteicas. Algunos circRNA pueden interactuar con RBP, actuar como esponjas o inhibidores de proteínas, pueden servir como andamios para acceder a diferentes proteínas o pueden reclutar proteínas en compartimentos subcelulares específicos. Por ejemplo, un ARNcirc con características de esponja proteica en las células HeLa, a saber, circPABPN1, compite con el ARNm de PABPN1 lineal para unirse a ELAV1 (también conocido como HuR), inhibiendo así la traducción de PABPN1.
Traducción de circRNA. Los experimentos para detectar péptidos o proteínas cíclicos tienen muchos inconvenientes y requieren un diseño cuidadoso. Como categoría, los circRNA generalmente se consideran no codificantes; sin embargo, algunos circRNA, incluidos circ-ZNF609 y circMbl, contienen sitios de entrada de ribosomas internos (IRES) y pueden traducirse independientemente de la tapa, mientras que otros, incluido circARHGAP35, pueden traducirse de forma independiente; Traducido en M6 A. Algunos circRNA, incluido el circRNA derivado del gen e-cadherina (CDH1) (llamado CIRC-E-CAD), codifican péptidos únicos con posible relevancia funcional en el cáncer, que se analizarán más adelante en. la revisión. CircRNA también puede codificar proteínas grandes relacionadas con funciones del cáncer (como proteínas oncogénicas producidas por circARHGAP35 y circMAPK1). Además, se pueden traducir los circRNA de virus, como el circE7 del virus del papiloma humano, que se expresa abundantemente en el cáncer de cuello uterino y de cabeza y cuello y tiene actividad oncogénica.
El CircRNA se ha estudiado principalmente en el contexto de enfermedades, pero la creciente evidencia también sugiere que tiene funciones importantes en condiciones fisiológicas normales. Aquí, nos centramos en los procesos homeostáticos celulares relevantes para el cáncer. Curiosamente, muchos estudios han señalado el papel fundamental de los circRNA específicos en el mantenimiento de células madre embrionarias y adultas, así como de células madre pluripotentes, mientras que otros estudios han demostrado que los circRNA son determinantes importantes de la diferenciación de las células madre y del desarrollo, mantenimiento y recuperación de los tejidos. .
Durante la transformación oncogénica, a menudo se observa que las células madre y los programas de expresión de genes de desarrollo se obtienen desde cero, lo que da como resultado células con un potencial de autorrenovación ilimitado. Por lo tanto, cuando se desregulan, se espera que los circRNA, incluidos los mencionados anteriormente, desempeñen un papel en el desarrollo del cáncer. Por ejemplo, circ-ZNF609 se ha estudiado ampliamente en el cáncer y se ha demostrado que promueve la carcinogénesis hepática al mejorar la desecación de las células cancerosas del hígado. Mecánicamente, circ-ZNF609 activa la señalización de Hedgehog en las células HCC al secretar miR-15a-5p y miR-15b-5p, y participa en el silenciamiento postranscripcional del factor de transcripción GLI2 en la vía de señalización de Hedgehog. CircZKSCAN1 y CircPHB 4 son otros dos ejemplos de circRNA que regulan las características de las células madre cancerosas en el cáncer de hígado y el glioma, respectivamente. Además, el péptido C-E-CAD codificado por circ-E-Cad derivado del ARNm precursor de E-cadherina interactúa con EGFR y activa la señalización STAT3 aguas abajo, promoviendo así la proliferación, supervivencia e invasión de células cancerosas, contribuyendo así a mantener el tallo del cáncer. Estado celular en el glioblastoma.
Los CircRNA derivados de virus oncogénicos también pueden inducir propiedades de células madre cancerosas, como circLMP2A derivado del virus de Epstein-Barr en el cáncer gástrico.
Además de la desecación de las células cancerosas, se observa una amplia gama de trastornos de la expresión de circRNA en todos los tipos de cáncer comunes y en muchas neoplasias malignas raras, y los niveles de circRNA a menudo se reducen en las células cancerosas que proliferan rápidamente.
ARN circular que regula el ciclo celular. Se ha descubierto que muchos ARN circulares aislados promueven la progresión del ciclo celular. Los investigadores descubrieron que se necesitan muchos circRNA para la proliferación celular, incluidos circHIPK3 y circKLHL. Para estos circRNA, se han observado fenotipos similares mediante eliminación mediada por ARN en horquilla corta. Un análisis mecanicista adicional de circFAM120A mostró que este circRNA promueve la traducción eficiente del ARNm de su gen huésped FAM120A (un gen tumoral involucrado en la vía de señalización AKT) a través de la unión competitiva con IGF-2bp2 (un inhibidor de la traducción), aunque el contenido de circRNA es más pequeño que el del ARNm. Este hallazgo significa que IGF-2bp2 se une preferentemente a transcripciones de circRNA, y se demostró que la modificación m6A de circFAM120A es responsable de la mayor capacidad de unión de IGF-2bp2. Al igual que FAM120A, MAPK1 es un oncogén directamente implicado en la transducción de señales, lo que conduce a la proliferación celular. En el carcinoma de células escamosas de pulmón, la regulación positiva del ARNcirc derivado del gen TP63 también puede promover la proliferación celular. Circ-ZNF609 también participa directamente en el ciclo celular regulando la transición G1/S. CircPVT1 es otro circRNA ampliamente estudiado del locus PVT1 no codificante. La mayoría de los estudios indican que su actividad oncogénica se debe a la promoción de la progresión del ciclo celular.
ARN circular y apoptosis o autofagia. A pesar de las numerosas anomalías genéticas y epigenéticas, evitar la apoptosis es clave para la proliferación continua de las células cancerosas y, por tanto, para el crecimiento tumoral. Se ha demostrado que muchos circRNA aislados funcionan inhibiendo o induciendo la apoptosis. Un ejemplo de este último es circ-Foxo3, que se une a MDM2 y le impide interactuar con Foxo3, inhibiendo así la degradación proteosomal mediada por ubiquitina de los productos proteosomales de sus genes huésped. La autofagia es otro proceso que juega un papel importante en el cáncer. Se ha demostrado que ejemplos de circB 11i 1 y circR-DNMT1 en cáncer de ovario y de mama promueven la autofagia.
CircRNA implicado en la angiogénesis. La angiogénesis es la clave para que las células cancerosas ingresen al sistema vascular y hagan metástasis. En el cáncer de vejiga, la regulación negativa de circHIPK3 se asocia con un fenotipo tumoral agresivo y malos resultados clínicos, lo que puede reflejar los efectos inhibidores de este circRNA sobre la angiogénesis y la metástasis. Se ha demostrado que Cirhippk 3 absorbe miR-558. Debido a que se une a la región promotora y regula positivamente la transcripción de HPSE, tiene una función no canónica de miARN. HPSE codifica la heparanasa, una endoglicosidasa que escinde los proteoglicanos de sulfato de heparina en la superficie celular y la matriz extracelular, lo que da lugar al factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y a la metaloproteinasa-9 de la matriz (MMP9), los cuales son factores angiogénicos importantes. CircSMARCA5 es otro ejemplo de circRNA que inhibe la angiogénesis. Por el contrario, el circRNA puede inducir angiogénesis, como circ-CCAC1 en colangiocarcinoma y circPOK en sarcoma.
CircRNA y proliferación inmortal. Los telómeros, que protegen los extremos de los cromosomas, son importantes para la capacidad de las células cancerosas de proliferar indefinidamente. Se cree que algunos circRNA afectan la actividad de la telomerasa, incluidos circMEG3 y circWHSC1.
CircRNA y energía celular. Las células cancerosas necesitan reprogramar su metabolismo energético para proporcionar continuamente energía para el crecimiento y la división celular a pesar de las fluctuaciones en el suministro de oxígeno y glucosa. La alfa-enolasa, codificada por ENO1, es una importante enzima glicolítica asociada con la progresión del cáncer. Curiosamente, este gen también produce un ARN CIRC: CIRC-eno1, que se ha demostrado que promueve la glucólisis y el adenocarcinoma de pulmón mediante la secreción de miR-22-3p, lo que lleva a la regulación positiva de su homólogo de ARNm lineal.
Y circATP2B1 es otro ejemplo de cómo promover la glucólisis.
CircRNA y monitorización inmune tumoral. El sistema inmunológico coordina varias respuestas protectoras para combatir el desarrollo de tumores. El circRNA endógeno participa en la supresión de la respuesta inmune innata uniéndose e inhibiendo la proteína quinasa R (PKR). RIG-I es un sensor de ácido nucleico que también puede detectar ARNcirc exógeno (pero no endógeno) e inducir respuestas de interferón tipo I y tipo III. CircNDUFB2 activa RIG-I al interrumpir la interacción intramolecular entre su helicasa y el dominio CARD, mejorando así la interacción entre RIG-I y la proteína de señalización antiviral mitocondrial (MAVS), mejorando así la inmunogenicidad de las células del cáncer de pulmón de células no pequeñas. Los datos de modelos de ratón confirman estos hallazgos.
El papel del circRNA en la invasión y metástasis. La metástasis y la diseminación de células cancerosas son los aspectos más letales del cáncer. La EMT es uno de los procesos clave en el desarrollo del adenocarcinoma y se ha confirmado que es promovida por una variedad de factores genéticos biológicos de circRNA y circRNA. Otros circRNA que se ha demostrado que promueven la metástasis incluyen los de los genes de fusión FLI1 (FECR) y EML4-ALK (F-circEA-2a) en el cáncer de pulmón de células pequeñas y el cáncer de pulmón de células no pequeñas, respectivamente.
El ARN circular a menudo se expresa de una manera específica de tejido o incluso de tipo celular. Además, muchos circRNA individuales se expresaron diferencialmente en tumores en comparación con tejidos adyacentes no malignos y se correlacionaron con varias características clínicas, como el tamaño del tumor, el grado histológico, los ganglios linfáticos y el estadio TNM. Estos hallazgos resaltan la importancia de los circRNA como biomarcadores prometedores para el diagnóstico y el pronóstico, lo que se confirma aún más por su alta estabilidad y detectabilidad en fluidos biológicos como plasma, saliva y orina.
CircRNA como biomarcador pronóstico. Se cree que CiRS-7 funciona como un oncogén al esponjar miR-7 en las células cancerosas y se asocia con un mal pronóstico en la mayoría de los tipos de cáncer. Sin embargo, los datos publicados en 2020 mostraron que no existe tal ARN circular en las células cancerosas del adenocarcinoma clásico impulsado por oncogenes. Aunque estos hallazgos pueden parecer contradictorios, ciRS-7 es muy abundante en las células estromales ubicadas en estos tumores, y una alta proporción de células estromales es un fuerte factor pronóstico independiente en múltiples adenocarcinomas, incluidos colon, mama y pulmón. Otros circRNA considerados como biomarcadores de pronóstico en algunos estudios incluyen circUBAP2 y circLARP4. Aunque los perfiles o firmas de los circRNA pueden resultar biomarcadores más fiables, los propios circRNA también pueden tener valor pronóstico.
CircRNA como biomarcador diagnóstico. Existe evidencia de que los circRNA tienen el potencial de diferenciar subtipos de cáncer, lo que a menudo ayuda a guiar las decisiones de tratamiento. Por ejemplo, en el cáncer de pulmón de células no pequeñas, la baja expresión de circACVR2A y la alta expresión de Circa CCNB1 pueden ayudar a diferenciar entre adenocarcinoma y carcinoma de células escamosas, respectivamente. Además, los circRNA también pueden detectarse de forma no invasiva y utilizarse para el diagnóstico.
CircRNA como biomarcador predictivo. Al predecir la respuesta al tratamiento, el circRNA puede ayudar a los médicos a lograr resultados óptimos para los pacientes y al mismo tiempo limitar la toxicidad. Por ejemplo, en el cáncer de mama y de próstata, la respuesta a la terapia endocrina se puede predecir midiendo los niveles de expresión de circRNA específicos. Los niveles de expresión de circRNA también pueden ayudar a predecir la respuesta a diversos fármacos de quimioterapia. Por ejemplo, en pacientes con carcinoma nasofaríngeo, se pueden predecir respuestas diferenciales a la quimioterapia de inducción que contiene docetaxel en función de la expresión de circCRIM1 y el estadio N. Además, los estudios preclínicos han demostrado que el circRNA también desempeña un papel en la resistencia a la inmunoterapia. El circRNA también se puede utilizar para predecir efectos adversos de futuros tratamientos, y existen datos que muestran el papel funcional del circRNA como agente protector o mediador de diversas toxicidades.
Para una detección precoz. Dado que la mayoría de los cánceres son incurables una vez que hacen metástasis, la detección temprana del cáncer es clave para reducir la morbilidad y la mortalidad. Debido a su alta estabilidad y expresión específica de tejido, el circRNA tiene un gran potencial como biomarcador mínimamente invasivo para la detección temprana del cáncer.
Los datos de un estudio multicéntrico mostraron que los biomarcadores de ARN circular basados en plasma funcionaron bien en la detección temprana del CHC y fueron más precisos que la alfafetoproteína para distinguir a los pacientes con CHC relacionados con el VHB de los pacientes sin CHC. También se ha demostrado que el CircRNA está enriquecido en exosomas séricos y tiene potencial para el diagnóstico temprano del cáncer colorrectal, mientras que otro estudio mostró que dos circRNA, circhip k3 y circSMARCA5, derivados de vesículas extracelulares séricas tienen un gran potencial para el diagnóstico temprano del tumor de glioblastoma. potencial.
Terapia de disfunción del CircRNA. Debido a su función establecida en la tumorigénesis, el ARNcirc se ha identificado como un objetivo obvio para la terapia contra el cáncer. La tecnología antisentido se puede utilizar para inhibir o degradar selectivamente carcinógenos. Una opción es utilizar el sistema CRISPR-Cas9, pero implica ética y el riesgo de eventos de empalme alternativos impredecibles. Se pueden elegir métodos más comunes como la interferencia de ARN, el sistema CRISPR-CAS 13, etc. Hasta la fecha, la mayoría de los estudios sobre disfunción han utilizado ARNi para desactivar el ARNcirc en modelos animales preclínicos, y ninguna terapia dirigida contra el ARNcirc ha entrado en ensayos clínicos.
Terapia de ganancia de función. Los nuevos tratamientos contra el cáncer también pueden basarse en la adquisición de la función de circRNA, ya sea mediante la sobreexpresión de circRNA supresores de tumores naturales o mediante la expresión de circRNA artificiales que contienen supresores de tumores. En estudios preclínicos, el enfoque más común es proporcionar ARNcirc que contengan sitios de unión de miARN repetidos que puedan servir como ARNce para miARN oncogénicos. Además, los efectos terapéuticos del circRNA no se limitan a los elementos del ARN, sino que también pueden afectar a las proteínas.
Dado que los niveles de expresión de la mayoría de los circRNA son muy bajos y pueden no ser funcionales, los estudios futuros deberían prestar más atención a la abundancia de circRNA en la investigación. Además, los autores alientan estudios destinados a abordar los efectos mecanicistas y fisiopatológicos. Teniendo en cuenta que se ha demostrado que la modificación de m6A mejora la adsorción de proteínas y el potencial de traducción de ciertos ARNcirc, también es importante estudiar la relevancia funcional de las modificaciones químicas postranscripcionales de los ARNcirc.
Aunque los mecanismos y las funciones fisiopatológicas de los ARNcirc en el cáncer siguen siendo controvertidos, estas moléculas siguen siendo especialmente prometedoras como biomarcadores para el diagnóstico, el pronóstico y la predicción.
Actualmente, los perfiles de expresión de circRNA solo se han analizado exhaustivamente en un número limitado de entidades cancerosas y, en general, se sabe poco sobre la relación entre los perfiles de expresión de circRNA y las mutaciones de los oncogénes impulsores. Además, debido a desafíos técnicos, faltan datos de expresión de circRNA a nivel unicelular y resolución espacial. Estos estudios son importantes para comprender las funciones de los circRNA y promover el descubrimiento y desarrollo de futuros biomarcadores.
Primera cuenta pública: Plataforma de Big Data del Banco Nacional de Genes
Referencia
Zhang Zhiyong, et al. El papel de los circRNA en oncología [J]. Oncología Clínica, 2021: 1-19.