PIWI相互作用的RNA (Piwi-interacting RNA, piRNA)與腫瘤

吳茹嘎，陳新華，王玲，武潁彩，陳苗

（1.內蒙古醫科大學，內蒙古 呼和浩特；2. 內蒙古醫科大學附屬人民醫院，內蒙古 呼和浩特）

1 介紹

非編碼小RNA(non-coding RNA, ncRNA)主要分為siRNA(small interfering RNA)、miRNA(microRNA)和piRNA(piwi-interacting RNA)三類，大量的研究已經證明了非編碼RNA（ncRNA）在介導人類癌變中的關鍵作用[1]。近年來，致癌作用與小的非編碼調節RNA之間的關聯頗為引起研究人員的關注[2-4]。其中，最廣泛研究的小型非編碼調控RNA是miRNA，根據其靶基因的功能可以作為癌基因或腫瘤抑制因子[5-7]。并且研究已經證實一些 miRNA的上調或下調可能導致人類癌癥發生與進展[8,9]。而PIWI-相互作用RNA(PiRNA)是一種大小為24～31nt的新型RNA，其長度明顯長于大小為21～23 nt的siRNAs或miRNAs。與miRNAs不同，piRNA在 3’-末端是 2’-O-甲基化的[10]，推測可能對piRNA的穩定性及功能至關重要。piRNA通過與piwi蛋白的特異性結合發揮其生物學作用[11,12]。之前的研究證實了piRNA也可以發揮與miRNAs相似的作用，在多種癌癥中充當癌基因或腫瘤抑制因子[13]，盡管如此，這仍然是一項相當新的知識，人們對piRNA的表達模式及其在人類癌癥中的特定功能仍然知之甚少，使其成為研究調查的一個重要領域。在這篇綜述文章中，我們將討論piRNA的疾病相關生物學功能，為未來的piRNA研究領域提供一些新的見解。

2 piRNA的生物發生

為了更好地理解piRNA的臨床作用，首先簡要討論其生物起源途徑。piRNA的前體是單鏈轉錄物，通常由含有重復元件的特定基因組位置產生，該過程通常通過Dicer非依賴性途徑進行編排。新生的piRNA在成為成熟的piRNA之前需要額外的轉錄后修飾。

piRNA的生物發生包括2個主要途徑：初級擴增和次級生成-通常也稱為“乒乓模型”(ping-pong model) 。piRNA衍生自相對少量的基因組區域，稱為piRNA簇。該簇由各種轉座DNA元件組成。長的單鏈前體piRNA從piRNA簇轉錄，其具有與轉座子互補的許多序列（轉座子衍生的piRNA）。研究人員后來發現除了那些轉座子衍生的piRNA外，一些piRNA有不同的起源。生物信息學研究表明，有三種不同的piRNA來源：轉座子衍生的piRNA，蛋白質編碼區衍生的piRNA和基因間區衍生的piRNA。隨后將長的單鏈轉錄物通過PIWI蛋白切割成各種長度的piRNA片段，導致初級piRNA的產生[14]。在piRNA次級生成途徑中，PIWI/piRNA以轉座子轉錄本為前體，通過乒乓模型切割產生新的piRNA；在完成piRNA生物合成的同時直接切割轉錄本，實現了在轉錄后水平沉默轉座子[15]。因此，研究人員通過“乒乓模型”來解釋piRNAs從轉錄前體物中循環增生[16]。

3 PiRNA：腫瘤中的新功能和作用

piRNA特異性地與Argonuat蛋白家族中的Piwi亞家族蛋白結合，可以指導PIWI蛋白及其相關的表觀遺傳機制通過識別大量piRNA互補序列來編程基因組或轉錄組，從而導致特定靶基因的轉錄沉默，同時有助于維持DNA完整性，腫瘤干細胞分化，表觀遺傳調控與胚胎發育和疾病發生和發展[13,14,16]。

3.1 piRNA在維持腫瘤干細胞和化療耐藥中的作用

近期研究表明PIWI途徑與腫瘤干細胞的維持有關[17]，piRNA和PIWI復合物的破壞可導致腫瘤細胞形成受損和化學反應性增強。例如：在宮頸癌細胞中Hiwi（人類PIWI蛋白）的過度表達可導致其化療耐藥性增加，腫瘤細胞形成以及增強體內致瘤性，并且幾種干細胞相關基因也被激活[18]等。總體來說，PIWI蛋白及其相關的piRNA在維持癌細胞的干細胞特性方面發揮著至關重要的作用。因此，靶向PIWI途徑可能會為臨床腫瘤化療提供更加有意義的策略。

3.2 piRNA通過沉默轉座因子維持基因組完整性

多年的研究表明，piRNA對轉座子轉座的調控方式是多層次、多方面6的。轉座子是一類可以在染色體上或不同染色體間自由移動的DNA。在高等生物中，處于活躍狀態的轉座子多為通過RNA中間體進行轉座的逆轉錄轉座子。由于逆轉錄轉座子在細胞基因組中占有很高的比例，它的頻繁轉座能引起細胞基因組結構和功能的改變，導致癌癥等嚴重基因疾病的發生，因此宿主細胞在長期的進化中形成了多種自我保護機制用以控制逆轉錄轉座子活性。屬于非編碼小RNA的piRNA以其獨特的機制在轉錄及轉錄后水平控制逆轉錄轉座子RNA中間體的產生，抑制了逆轉錄轉座過程的發生[19]。因此，piRNA-PIWI通路通過沉默轉座子與調節基因表達而影響干細胞功能。

3.3 PiRNA通過調節DNA甲基化促進腫瘤發生

DNA甲基化是指在DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferase，DNMT)的催化下，將S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)的甲基轉移到特定堿基上的過程。DNMT分為兩類：一類是持續性甲基轉移酶DNMT 1，主要參與DNA復制過程中新合成鏈的甲基化；另一類是從頭甲基轉移酶，包括DNMT 3A和DNMT 3B，主要介導CpG位點甲基化，通過表觀遺傳學機制調控細胞生長分化。DNA甲基化參與了基因組印記、X染色體失活以及重復元件抑制過程，為正常發育所必需。近年來研究發現，DNA甲基化異常可導致原癌基因激活以及抑癌基因失活，從而導致癌癥的發生。DNA甲基化異常是最主要的表觀遺傳學改變，包括總體基因的低甲基化和特定區域的高甲基化，前者可導致原癌基因激活，后者主要發生在啟動子區域的Cp G島，可導致抑癌基因失活。piRNA-PIWI通路在腫瘤干細胞(tumor stem cell，TSC)中高表達，在腫瘤發生發展中抑制凋亡通路、提高耐藥性、擾亂miRNA系統、維持TSC的干性與過度甲基化。使用甲基化酶抑制劑與熱休克蛋白90抑制劑可以抑制piRNA-PIWI通路，因此，可以說明piRNA-PIWI通路可以作為抗腫瘤治療的新靶點。

3.4 piRNA對基因表達的轉錄后調控

Argonaute蛋白是小分子非編碼RNA介導基因表達調控的核心組分。Argonaute蛋白可分為Ago亞家族和PIWI亞家族。miRNA/siRNA與Ago蛋白在生物體的各個組織器官廣譜表達，主要在轉錄后水平介導基因表達調控。根據組織細胞類型和與靶mRNA配對的程度不同，miRNA/siRNA途徑可以通過不同機制調控基因表達。與Ago-miRNA/siRNA途徑相比，目前對PIWIpiRNA途徑介導基因表達調控的機制還知之甚少[15]。予未來piRNA研究領域提供更大的空間。

4 piRNA作為腫瘤生物標志物的潛在臨床應用

先前報道，piRNA-piR651在幾種類型的人類癌癥組織中與配對的鄰近正常組織相比過度表達，包括胃癌，肺癌，間皮癌，宮頸癌，結腸癌，肝癌，乳腺癌和多發性骨髓瘤癌組織[20,21]。這些發現表明 piR651 可能在癌發生中起致癌作用。近期研究還發現，piR651可以提供改善非小細胞肺癌臨床診斷和治療的機會[13]。另外，在有關透明細胞腎癌（ccRCC）的研究中，揭示了一些可以作為預后預測因子的特定piRNA的特征。通過使用piRNA微陣列并在更大的隊列中進一步確認候選piRNA，Busch等人鑒定了3種與腫瘤復發和總體存活顯著相關的piRNA，分別為piR-30，924，piR-57，125和piR-38，756[22]。上述研究表明，piRNA可通過其與疾病相關生物學作用，或將成為腫瘤標志物，可能在未來也可以作為臨床潛在的治療工具。

5 結論與展望

迄今為止，piRNA因其在腫瘤生物學中的作用而被廣泛研究。在這篇綜述文章中，我們說明了piRNA的生物發生，生物學作用以及可能作為腫瘤生物標志物的潛在臨床意義。雖然我們在文章中介紹了許多機制研究，揭示了piRNA在癌變過程中的分子功能，對piRNA的生物生成和功能已有一些假設和認識，但是該研究尚處于一個初步階段。近年來，隨著研究的不斷深入，piRNA和PIWI蛋白能否成為腫瘤相關疾病的預后生物標志物也正在積極探索中，以及piRNA可以提供改善腫瘤疾病臨床診斷和治療機會等越來越多的生物學功能將被揭示。總言之，對非編碼小分子RNA，尤其是對新發現的piRNA的研究，可以使人們更加深刻地了解機體較為復雜的調節機制，亦有望成為抗腫瘤治療的新靶點，這將對未來臨床醫學與生物醫學的發展產生至關重要的作用。