tRFs生物學(xué)功能以及在癌癥研究中的新進展

趙 敏，叢 珊，田 暢，劉伽瑩，周佳琪，苑靜怡，李 倩，王 珂

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院 呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，吉林 長春130041)

近年來隨著對非編碼RNA(noncoding RNAs，ncRNAs)研究的深入，發(fā)現(xiàn)非編碼RNA，比如miRNAs、piRNAs以及circRNAs，在各類疾病發(fā)生、進展以及治療等方面都有重要作用[1]。最近，一類來源于tRNA的小的非編碼RNA逐漸引起廣泛關(guān)注[2]。在真核細胞的細胞核中，tRNA被RNA聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄在tRNA成熟序列3′端下游10-60 nt處延伸了四個或多個Ts后終止[3]。前tRNA和成熟tRNA在輸出到細胞質(zhì)過程中經(jīng)歷了廣泛的修飾，從而產(chǎn)生了2種tRNA來源的小RNA(tRNA-derived small RNAs ，tsRNAs)：(1)tRNA的一半(tRNA halves，tRHs)(2)tRNA衍生片段(tRFs或者tDRs)[4]。大多數(shù)tRNA halves由應(yīng)激激活的血管生成素(Angiogenin，ANG)介導(dǎo)tRNA裂解所產(chǎn)生，故tRNA halves也被稱作 tRNA衍生的應(yīng)激誘導(dǎo)RNA(tRNA-derived stress-induced RNAs，tiRNA)[5]。實驗研究證明，tRFs參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，同時tRFs可能是某些疾病的治療靶點[6]。

隨著第二代基因測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的實驗研究可以提供給我們更多關(guān)于非編碼RNA信息，這其中包括tRFs，在這篇綜述中我們著重描述tRF的生物特性以及其在癌癥中的作用。

1 tRFs生物學(xué)功能

在早期研究中，部分tRFs經(jīng)常被認為是miRNAs，實驗研究得出，在應(yīng)激條件下人體可以新合成一些tRF和miRNA，其中miR-1280，miR-1274a/b和miR-886-5的序列分別與tRNALeu的3′末端，tRNALys的3′-端和tRNAAla的5′-端一致，后期研究表明，miR-1280實際上來源于tRNALeu。使用生物信息學(xué)分析，miR-1274-a/b與tRNALys3′末端/tRNALys5′末端之間存在明顯的正相關(guān)，表明這兩個miRNA本質(zhì)上是tRF[7，8]。盡管大多數(shù)tRF的詳細機制仍不清楚，但以上研究已證實，某些tRF可以抑制靶基因的翻譯并調(diào)節(jié)靶基因的表達，類似于miRNA。但是，最近的一項研究表明，某些tRF3以不依賴于Dicer酶而與Argonaute蛋白質(zhì)直接結(jié)合的方式發(fā)揮其抑制作用[9]。

1.1 調(diào)控靶基因表達

tRFs與基因表達調(diào)控和基因沉默有關(guān)。Yeung[10]等人發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病毒(HIV)中某個長度為18nt的tRF豐度很高。實驗證明，此18nt的tRF 來源于tRNALys。HIV RNA與人tRNALys的3′末端形成了雙鏈RNA雜交體，使用病毒逆轉(zhuǎn)錄酶將其逆轉(zhuǎn)錄為cDNA后發(fā)現(xiàn)由tRNALys產(chǎn)生的3′-tRF與AGO2和Dicer的結(jié)合促進細胞抑制HIV逆轉(zhuǎn)錄作用，進一步證明了哺乳動物細胞可以利用RNAi防御外源性逆轉(zhuǎn)錄病毒的感染[10]。 Sharma[11]等人發(fā)現(xiàn)精子中存在的tRF抑制了胚胎干(ES)細胞和胚胎中與內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因的表達。從功能上講，在ES細胞和胚胎中，從tRNAGly-GCC產(chǎn)生的tRF-5都抑制了與內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的基因表達。

研究發(fā)現(xiàn)在人單核細胞中，PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA，piRNA)，tRNAGlu衍生的piRNA[tRNAGlu-derived piRNA,td-piR(Glu)]的表達要比樹突狀細胞豐富得多[12]。RNA聚合酶III調(diào)節(jié)tRNAGlu和隨后的td-piR(Glu)的生物發(fā)生。在與piRNA相互作用后，td-piR(Glu)/ PIWIL4復(fù)合物募集了SET結(jié)構(gòu)分支1(SET domain bifurcated 1，SETDB1)、雜色抑制物3-9同源物1(suppressor of variegation 3-9 homolog 1 ，SUV39H1)和雜染色質(zhì)蛋白1β到CD1a分子(CD1a molecule，CD1A)啟動子區(qū)域，并且促進了H3K9甲基化，從而顯著抑制CD1A轉(zhuǎn)錄[12]。

1.2 調(diào)節(jié)翻譯

實驗研究發(fā)現(xiàn)，多種小的非編碼RNA(small non-coding RNAs,sncRNAs)具有調(diào)節(jié)翻譯功能，包括tRFs和tiRNA[13]。Yamasaki[10]等人將天然存在的5′-tiRNA轉(zhuǎn)染到人成骨細胞系U2OS中，發(fā)現(xiàn)細胞系翻譯受到抑制。而在體外進行的實驗進一步表明，5′-tiRNA的5′端有四個或更多的末端寡鳥嘌呤基序(terminal oligoguanine motifs，TOGs)是抑制翻譯的關(guān)鍵序列。由于該RNA序列包含在5′-tRF中，因此tRFGln也能夠抑制翻譯。Sobala和Hutvagner發(fā)現(xiàn)翻譯抑制作用僅限于5′-tRF序列，進一步研究發(fā)現(xiàn)，實驗涉及的所有5′-tRFs都包含序列“GG”，而該序列對于翻譯抑制是必需的，所有的“GG”序列位置根據(jù)親本tRNA不同而不同，但都位于5′-tRFs 的17-18或18-19位[5]。

1.3 調(diào)節(jié)細胞應(yīng)激反應(yīng)

研究表明，tiRNA在應(yīng)激狀態(tài)下表達增加，尤其是在饑餓和氧化條件下[14]。在哺乳動物細胞中，ANG作為一種分泌的核糖核酸酶，可以抑制蛋白質(zhì)合成，并促進砷和多胺誘導(dǎo)的應(yīng)激顆粒(stress granules，SGs??)生成，同時也可剪切tRNA形成tiRNA來啟動應(yīng)激反應(yīng)。SGs與細胞凋亡，病毒感染，免疫反應(yīng)以及蛋白質(zhì)折疊和轉(zhuǎn)移有關(guān)。 Emara[15]等人發(fā)現(xiàn)tiRNA的轉(zhuǎn)染誘導(dǎo)了SGs的磷酸化-真核翻譯起始因子2α獨立裝配。SGs的形成可以暫時沉默mRNA，從而影響轉(zhuǎn)錄，故可以幫助細胞在應(yīng)激情況下存活[16]。在小鼠胚胎成纖維細胞中，線粒體中細胞色素c(Cyt-c)的釋放致細胞滲透壓發(fā)生變化，ANG剪切的tiRNA競爭性地與Cyt c結(jié)合，以保護細胞免受滲透壓急劇變化導(dǎo)致的細胞凋亡。用ANG處理細胞可抑制應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡小體形成，并增加sRNAs與核糖核蛋白(Cyt c-RNP)復(fù)合物中釋放的Cyt c的相互作用。這意味著tRF在防止細胞凋亡中起重要作用[17]。

2 tRFs與癌癥

近年來，tRFs調(diào)節(jié)人類疾病的機制，例如癌癥，病毒感染，病理性應(yīng)激損傷，代謝性疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起了廣泛關(guān)注。這其中與癌癥相關(guān)的tRFs研究內(nèi)容更加廣泛。我們已經(jīng)研究了大腸癌、乳腺癌、B細胞淋巴瘤、前列腺癌、肝細胞癌、肺癌等癌癥相關(guān)的tRFs。但是對tRF介導(dǎo)的癌癥進展的了解仍處于起步階段。在各種不同的細胞階段，諸如分化，增殖，分裂，衰老和凋亡，RNA聚合酶裝配的分子破壞，染色質(zhì)重塑，轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，RNA編輯，RNA剪接和核糖體掃描等不同的細胞階段，tRF都有可能導(dǎo)致癌癥[18，19]。

2.1 影響癌癥發(fā)生

Yang[20]等人發(fā)現(xiàn)NSCLC腫瘤組織中的tRF-Leu-CAG 水平高于正常組織，并且在NSCLC細胞系中也上調(diào)。進一步實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人為控制tRF-Leu-CAG的表達量降低時，Aurora激酶A (Aurora kinase A，AURKA)的表達也被抑制，而AURKA為致癌基因。研究證實，miR-137和miR-32可以直接靶向AURKA并影響NSCLC的進展[21]。但具體基因AURUK是否為tRF-Leu-CAG的直接靶標(biāo)，而tRF-Leu-CAG能否與miR-137或miR-32相互作用，目前尚無定論。在關(guān)于CLL實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)ts-101和ts-53在17p-CLL中缺失，而ts-53以miRNA方式靶向TCL1[22]。同時發(fā)現(xiàn)ts-46和ts-47在CLL和肺癌中被下調(diào)，表明ts-53，ts-46和ts-47的特異表達可抑制細胞集落形成，該實驗可以證明tRF可被視為腫瘤抑制器，從而干擾基因的表觀遺傳調(diào)控[2]。

2.2 影響癌癥增殖、轉(zhuǎn)移

在大腸癌(colorectal cancer，CRC)中，Huang B[23]等人發(fā)現(xiàn)，來源于tRFLeu和pre-miRNA衍生的17nt片段的tRF/miR-1280通過抑制Notch信號通路抑制了CRC的生長和轉(zhuǎn)移。作為tRF/miR-1280的直接靶標(biāo)，Notch配體鋸齒2(JAG2)減少了腫瘤的形成和轉(zhuǎn)移。進一步研究發(fā)現(xiàn)，tRF/miR-1280介導(dǎo)的Notch信號傳導(dǎo)失活通過直接抑制基因Gata1/3和miR-200b的轉(zhuǎn)錄來抑制癌癥干細胞(CSC)表型。

通過與RNA結(jié)合蛋白(RNA-binding proteins，RBPs)結(jié)合，一些tRFs可能起著腫瘤抑制因子的作用[24]。Y盒結(jié)合蛋白1(Y box binding protein 1，YBX1)是一種多功能的RNA結(jié)合蛋白，已經(jīng)參與了許多關(guān)鍵的細胞途徑，并在各種癌癥類型中高度表達。一類來自tRNAGlu，tRNAAsp，tRNAGly和tRNATyr的新型tRF，通過從RNA結(jié)合蛋白YBX1置換其3′-UTRs來抑制乳腺癌中多種致癌轉(zhuǎn)錄物的穩(wěn)定性[16]。另外，在B細胞淋巴瘤細胞中，tRF-3027通過抑制復(fù)制蛋白A1(RPA1)(一種內(nèi)源性單鏈DNA結(jié)合蛋白)來抑制細胞增殖并調(diào)節(jié)DNA損傷[25]。

近年來，ANG誘導(dǎo)的tRF在癌癥中的調(diào)控引起了更多關(guān)注。 ANG誘導(dǎo)的tRFs誘導(dǎo)應(yīng)激顆粒的重新翻譯和組裝，提示tRFs對ANG介導(dǎo)的細胞增殖和血管生成具有直接作用[26]。其他研究表明，tRFs通過與Cyt c結(jié)合抑制細胞凋亡[5]。

2.3 與耐藥性相關(guān)

Cui[27]等人的研究發(fā)現(xiàn)，tDR-0009(源自tRNAGly-GCC-1-1)可能與三陰性乳腺癌(triplenegative breast cancer，TNBC)的化學(xué)耐藥性(對阿霉素的抗性)有關(guān)。Sun[28]等人還報道了tRF-30-JZOYJE22RR33和tRF-27-ZDXPHO53KSN在乳腺癌的曲妥珠單抗耐藥中具有重要作用。最近一項實驗研究可以說明，tRF-Leu-CAG可能引起NSCLC的化學(xué)耐藥性并誘導(dǎo)自噬。

2.4 作為診斷標(biāo)志物

源自前體tRNASer的tRF-1001在許多癌細胞系中高度表達。tRF-1001的敲除導(dǎo)致DNA生物合成和細胞增殖的抑制[29]。通過檢測前列腺癌樣品中不同階段tRF的組成和表達，Olvedy等人發(fā)現(xiàn)598個差異表達的tRF[30]。其中大多數(shù)上調(diào)的tRF是從tRF-5產(chǎn)生的，而下調(diào)的tRF是從tRF-3產(chǎn)生的。該證據(jù)表明，tRF可用作前列腺癌的潛在生物標(biāo)志物。Yang等人發(fā)現(xiàn)不僅可以在NSCLC細胞系中檢測到tRF-Leu-CAG表達水平上調(diào)，NSCLC腫瘤組織和血清中也可以檢測到tRF-Leu-CAG的表達水平高于正常組織。這表明NSCLC血清中的tRFLeu-CAG可被視為診斷生物標(biāo)志物。

總之，隨著各項研究深入，我們發(fā)現(xiàn)tRFs與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、診斷以及治療等方面關(guān)系密切，但是一方面研究發(fā)現(xiàn)在癌癥發(fā)生階段tRFs較正常組織表達含量有所增加，似乎tRFs可以被當(dāng)作致癌因子，但另一方面，在腫瘤進展期時，當(dāng)敲除tRFs基因時，可以加速腫瘤的進展以及轉(zhuǎn)移，從這一方面來看，tRFs可以被看作抑癌因子。造成上述結(jié)果可能的原因是在癌癥發(fā)生初期致癌物質(zhì)或者體內(nèi)環(huán)境變化致細胞應(yīng)激，導(dǎo)致tRFs在細胞、組織以及血清中檢測到表達水平升高，而在后期腫瘤發(fā)展階段，tRFs本身以抑癌因子身份出現(xiàn)，可以抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。從抑制腫瘤轉(zhuǎn)移這一點來看，tRF的生物學(xué)機制與miRNA的生物學(xué)機制非常相似[16]。但上述結(jié)果仍需要進一步實驗加以論證。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，tRFs存在干擾作用，且與miRNA或lncRNAs作用機制相似。同時在應(yīng)對氧化應(yīng)激等細胞環(huán)境變化的情況，tRFs也能相應(yīng)的做出調(diào)控反應(yīng)，使細胞免受傷害或降低傷害造成的后果。隨著轉(zhuǎn)錄組學(xué)高通量技術(shù)與第二代基因測序技術(shù)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)一些曾經(jīng)被認為是其他sncRNA，其實是從tRNA生成的，并被重新定義為tsRNA。比如說，MiR-4521和miR-3676可以與tRNA序列結(jié)合，稱為ts-4521和ts-3676，MiR-1280也可以從tRNALeu生成，這些tsRNA已被證明與Piwi蛋白相互作用，并在癌癥中發(fā)揮作用。

總之，盡管tRFs需要進行更多的研究，但根據(jù)最近發(fā)表的論文，我們可以了解到不管在細胞生命還是腫瘤發(fā)生過程中，tRFs起關(guān)鍵作用。尤其在與腫瘤相關(guān)的研究中我們可以看到，tRFs不僅可以在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，而且能夠作為癌癥診斷的新的潛在生物標(biāo)志物，同時也有可能成為今后癌癥治療的新靶點。