轉(zhuǎn)運RNA及其相關(guān)片段與腫瘤關(guān)系的研究進展

陶恩威，高琴琰

上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院消化內(nèi)科，上海200001

腫瘤是指機體在各種致瘤因素下，局部組織細胞增生所形成的贅生物，在某些情況下會發(fā)展成為惡性腫瘤，嚴重危害人類的健康。但腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程極為復雜，目前普遍認為與癌基因、表觀遺傳學、非編碼RNA、微環(huán)境、免疫及細胞代謝等有著密切的關(guān)系。近年來，越來越多的研究表明非編碼RNA在腫瘤發(fā)生發(fā)展、診斷及治療中有著重要作用，特別是微小RNA（microRNA，miRNA）[1]和長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）[2]。隨著研究的深入，轉(zhuǎn)運RNA（tRNA）及其相關(guān)片段作為一類新型的小分子非編碼RNA，也逐漸受到人們的關(guān)注。人們發(fā)現(xiàn)這類小分子RNA與人類疾病密切相關(guān)，特別是在腫瘤中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。因此，本文根據(jù)最新的一些研究，著重論述tRNA及其相關(guān)片段與腫瘤之間的關(guān)系。

1 tRNA及其相關(guān)片段的產(chǎn)生

tRNA長度為74～93個核苷酸，占細胞核內(nèi)總RNA的4%～10%，通常被認為是蛋白質(zhì)翻譯過程中氨基酸的轉(zhuǎn)運體，但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn)tRNA及其相關(guān)片段與組織氧化應激損傷[3]、腫瘤的發(fā)生發(fā)展[4-5]、神經(jīng)系統(tǒng)病變[6]、感染[7]等都有著密切的關(guān)系。

在人類基因組中，有513種編碼tRNA的基因，可以編碼49種同工tRNA[8]。在真核細胞中，RNA聚合酶Ⅲ在核內(nèi)通過識別tRNA基因區(qū)上特定序列進行轉(zhuǎn)錄形成前體tRNA，然后經(jīng)過復雜的剪切加工、堿基修飾及構(gòu)型改變形成具有“三葉草”特殊結(jié)構(gòu)的tRNA[9]。核內(nèi)成熟的tRNA進入細胞質(zhì)，在同源氨基酰-tRNA合成酶的催化下，結(jié)合相對應的氨基酸，并在延伸因子eEF1（原核生物為EF-Tu）的作用下進入核糖體，識別特定mRNA上的密碼子，然后將攜帶的氨基酸轉(zhuǎn)移到肽鏈上[10]，完成其在蛋白質(zhì)合成過程中“適配器”的重要功能。

tRNA相關(guān)片段在很長一段時間內(nèi)被人們認為是tRNA形成過程中的副產(chǎn)品，但隨著基因技術(shù)的高速發(fā)展和深入研究，其潛在生物學功能逐漸顯現(xiàn)出來，并且越來越受到關(guān)注。目前研究認為，tRNA相關(guān)片段來源于前體tRNA或成熟tRNA在特定的情況下被特異性核酸內(nèi)切酶剪切后的產(chǎn)物，主要可分為兩類：半tRNA halves，tiRNA（tRNA）和小tRNA片段（small tRNA fragments，tRF）[11]。這些小分子RNA片段類似于miRNA、環(huán)狀RNA（circRNA）、Piwi-interacting RNA（piRNA），在細胞的生命活動中，具有一定的調(diào)節(jié)作用，甚至有些小分子在過去一直被誤認為是miRNA，例如miRNA-1274、miRNA-1280、miRNA-720等[12]。

tiRNA是在多種應激條件下，由特定的核糖核酸酶（血管生成素，酵母中稱為RNY1）對成熟tRNA的反密碼子環(huán)特異性切割產(chǎn)生，其長度為29～50個核苷酸，且根據(jù)tiRNA序列的特點，可分為2個亞類：3'tiRNA、5'tiRNA[13]。tRF是各種核糖核酸酶（RNase、Dicer等）對tRNA作用的產(chǎn)物，相比于tiRNA，長度稍短，長度為14～30個核苷酸，可分為3個亞類：tRF-1、tRF-3、tRF-5[14]。來源于前體tRNA的3'-UTR區(qū)、3'末端含有多聚U序列的tRF稱為tRF-1；來源于成熟tRNA 3'端到TψC環(huán)附近的tRF稱為tRF-3，由于TψC環(huán)上酶切位點差異，tRF-3可以繼續(xù)分為tRF-3a、tRF-3b；來源于成熟tRNA 5'端到D環(huán)附近的tRF稱為tRF-5，由于D環(huán)上酶切位點差異，tRF-5可以繼續(xù)分為tRF-5a、tRF-5b、tRF-5c[15]；有學者認為還存在第四類tRF小分子：內(nèi)部tRNA片段（i-tRF），不同于之前的三類，其主要來自成熟tRNA的中間區(qū)域，包含反密碼子環(huán)[16]。

2 tRNA與腫瘤

tRNA最初被人們認為只是作為“適配器”單純地參與基因表達，而不對其進行調(diào)控，但是近些年來，大量的研究表明，tRNA的含量在正常組織與腫瘤組織間存在明顯的差異，這可能表示tRNA的表達水平與腫瘤有密切的關(guān)系。Pavon-Eternod等[4]利用基因芯片技術(shù)，發(fā)現(xiàn)乳腺癌組織細胞核和線粒體中tRNA的表達水平相較于正常乳腺組織均明顯升高；Zhou等[17]也利用同樣的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)多發(fā)性骨髓瘤細胞中tRNA的表達水平高于正常骨髓細胞。這些在腫瘤中異常表達的tRNA引起了科學家們的廣泛關(guān)注，它們是否是腫瘤發(fā)生的原因？其具體的作用機制又是如何？

研究發(fā)現(xiàn)，tRNA會影響細胞的生命代謝甚至導致腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。tRNAimet是真核細胞內(nèi)參與啟動翻譯的復合物，Pavon-Eternod等[18]發(fā)現(xiàn)tRNAimet會影響整個tRNA的表達譜，以及使人乳腺上皮細胞的代謝和增殖能力加強。Ladang等[19]發(fā)現(xiàn)在小鼠的大腸癌模型中，延伸復合體3（elongator complex protein 3，ELP3）發(fā)揮著重要的作用，進一步發(fā)現(xiàn)ELP3可以使tRNA的34號位點的尿苷發(fā)生結(jié)構(gòu)修飾，從而促進蛋白SOX9（Wnt通路相關(guān)蛋白）的合成，導致腫瘤的發(fā)生。

Birch等[20]發(fā)現(xiàn)tRNAimet可以促進黑色素瘤的轉(zhuǎn)移，作用機制可能與整合素α5β1及其構(gòu)成的翻譯起始復合體有關(guān)。Delaunay等[21]發(fā)現(xiàn)ELP3和CTU1/2可以對tRNA的34號位點的尿苷進行結(jié)構(gòu)修飾，促進原癌蛋白DEK的合成，繼而導致原癌基因LEF1的轉(zhuǎn)錄增加，最終促進乳腺癌細胞的轉(zhuǎn)移。除此之外，Goodarzi等[5]發(fā)現(xiàn)人類乳腺癌中某些tRNA表達水平的上升會導致腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移能力增強，究其原因，發(fā)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)移性細胞組中有兩種tRNA：tRNAArgCCG和tRNAGluUUC，無論是在前體tRNA水平還是在成熟tRNA水平都明顯高于正常細胞組和低轉(zhuǎn)移性細胞組；而且進一步的機制研究發(fā)現(xiàn)tRNAGluUUC可以通過上調(diào)EXOSC2和GRIPAP1靶基因促進腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移，直接說明了tRNA不僅參與基因的表達，還可以調(diào)控基因的表達。

tRNA除了可以促進腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移，還可以抑制腫瘤的形成。Zhou等[22]發(fā)現(xiàn)tRNASerAAU可以抑制乳腺癌細胞的活力，并促進細胞死亡，另外在腫瘤移植的小鼠體內(nèi)，tRNASerAAU處理組相比于其他對照組，具有明顯的腫瘤抑制作用。tRNASerAAU對腫瘤的抑制作用不同于目前大部分RNA對靶基因的干擾作用，而是通過形成錯構(gòu)蛋白激活細胞凋亡。這一發(fā)現(xiàn)為腫瘤治療提供了新思路。

3 tRNA相關(guān)片段與腫瘤

tRNA相關(guān)片段是來源于前體tRNA或成熟tRNA在特定情況下被酶切的產(chǎn)物，主要包括tiRNA和tRF兩類，目前認為，tRNA的水平與tRNA相關(guān)片段水平之間并沒有必然的聯(lián)系[23-24]。在20世紀70年代，tRNA相關(guān)片段就被發(fā)現(xiàn)存在于腫瘤患者的尿液和血漿中，且水平與腫瘤的進展有一定的相關(guān)性[25-27]。現(xiàn)今隨著對非編碼RNA的研究深入及高通量基因芯片技術(shù)的廣泛應用，人們發(fā)現(xiàn)越來越多tRNA相關(guān)片段與人類疾病有關(guān)[28-29]，并且大量的研究證明了tRNA相關(guān)片段與各類腫瘤有著密切的關(guān)系。

血管生成素（angiopoietin，ANG）在tiRNA分子形成過程中有著至關(guān)重要的作用，且?guī)缀踉谒心[瘤中過表達[30-32]，因此可以推測tiRNA可能與腫瘤有一定的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，tiRNA中與腫瘤密切相關(guān)的主要是5'tiRNA，且在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中具有雙重作用。Nientiedt等[33]發(fā)現(xiàn)在腎透明細胞癌組織中，某種特異5'tiRNA的表達水平明顯下調(diào)，且下調(diào)程度與腫瘤分期有關(guān)。Ⅰvanov等[34]發(fā)現(xiàn)5'tiRNA可以促進骨肉瘤細胞內(nèi)應激顆粒（stress granule，SG）的組裝，而應激顆粒具有抑制蛋白合成、誘導細胞修復的功能，因此可以推測5'tiRNA有利于腫瘤細胞抵抗外界不利環(huán)境。除此之外，Honda等[35]發(fā)現(xiàn)某些5'tiRNA是性激素依賴的產(chǎn)物，可以促進細胞增殖，導致乳腺癌及前列腺癌的發(fā)生。Shao等[36]也發(fā)現(xiàn)某些5'tiRNA可以促進細胞增殖以及調(diào)控細胞周期活動，且其含量與非小細胞肺癌的分期有關(guān)。

相比于tiRNA，tRF的分子量更小一些，與腫瘤之間的關(guān)系更為密切，且更具有小分子非編碼RNA的特性，其含量僅次于miRNA，所以得到人們的廣泛關(guān)注。tRF可以像miRNA一樣，影響靶基因的轉(zhuǎn)錄水平，例如：來源于tRNAHis和tRNALeu的兩種tRF-3可以直接結(jié)合Argonaute2（Ago2）蛋白切割人類內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒的RNA，從而抑制其復制[37]。tRF主要包括tRF-1、tRF-3、tRF-5三類，且這些小分子在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中也具有雙重作用。CU1276來源于tRNAGly，屬于tRF-3中的一種。Maute等[38]發(fā)現(xiàn)B淋巴瘤細胞中CU1276的表達水平下降，且其可以結(jié)合Ago蛋白抑制RPA1基因的表達，而RPA1與DNA的復制及修復有關(guān)，即腫瘤細胞可能通過下調(diào)CU1276的表達水平，減弱對RPA1基因的抑制作用，從而促進自身的增殖。tRF-1001是一種來自tRNASer前體的tRF-1，在大多數(shù)腫瘤細胞增殖過程中高表達，而敲低tRF-1001之后可以發(fā)現(xiàn)細胞周期停留在G2期，細胞增殖被抑制，說明tRF-1001可以促進腫瘤細胞的增殖[14]。ts-46、ts-47、ts-53、ts-101都屬于tRF-1小分子，來自前體tRNA的特異性酶切產(chǎn)物，與多種腫瘤密切相關(guān)。Pekarsky等[39]發(fā)現(xiàn)ts-53、ts-101的表達水平在慢性淋巴細胞白血病和肺癌患者中都明顯下調(diào)，而且它們可以結(jié)合Ago和Piwi蛋白，發(fā)揮類似miRNA與piRNA的功能。另外，外源性過表達ts-53可以抑制肺癌細胞的增殖。同樣，Balatti等[40]發(fā)現(xiàn)在所有具有突變基因KRAS和PIK3CA的細胞中，ts-46、ts-47表達水平明顯上升，說明這些小分子可能在突變基因致瘤過程中具有重要意義，并且ts-46、ts-47也都可以抑制肺癌細胞的增殖。tRFGln是tRF-5中的一種，Sobala和Hutvagner[41]發(fā)現(xiàn)tRFGln可以通過結(jié)合mRNA，阻礙蛋白翻譯過程，抑制細胞增殖。除了以上3種tRF外，Goodarzi等[42]還發(fā)現(xiàn)i-tRFs（tRFGlu、tRFAsp、tRFGly）可以與3'UTR競爭性結(jié)合YBX1蛋白，降低原癌基因轉(zhuǎn)錄的穩(wěn)定性及原癌基因蛋白表達水平，從而抑制腫瘤的生長與轉(zhuǎn)移，這一發(fā)現(xiàn)為抗腫瘤治療提供了新思路。

從上述研究發(fā)現(xiàn)，tRNA相關(guān)片段在許多腫瘤中表達異常，且在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中具有促進和抑制的雙重作用，其作用機制可能主要與細胞增殖、細胞周期和基因調(diào)控有關(guān)，這些都表明了tRNA相關(guān)片段與腫瘤有著密切的關(guān)系。

4 小結(jié)與展望

tRNA及其在特定條件下產(chǎn)生的相關(guān)片段具有復雜的生物學功能，在腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。人類細胞中有49種同工tRNA，參與翻譯的過程，但其表達譜的紊亂以及tRNA轉(zhuǎn)錄后特定位點的修飾可能直接影響蛋白質(zhì)的合成，從而導致某些腫瘤的發(fā)生。此外，某些特定tRNA還可以對基因進行調(diào)控。tiRNA與tRF可以直接影響腫瘤細胞增殖，并且作為新型的小分子非編碼RNA，具有miRNA以及piRNA相似的特性，可以調(diào)控基因的表達，在腫瘤中具有雙重調(diào)控的作用。

總而言之，tRNA及其相關(guān)片段與腫瘤的關(guān)系密切，在腫瘤的診斷與治療中具有潛在的應用價值，但是關(guān)于tRNA及其相關(guān)片段的研究仍處于初始階段，其機制不是十分明確，有待進一步研究。

[1]Jansson MD,Lund AH.MicroRNA and cancer[J].Mol Oncol,2012,6(6):590-610.

[2]YangG,LuX,YuanL.LncRNA:alinkbetweenRNAandcancer[J].BiochimBiophysActa,2014,1839(11):1097-1109.

[3]Mishima E,Ⅰnoue C,Saigusa D,et al.Conformational change in transfer RNA is an early indicator of acute cellular damage[J].J Am Soc Nephrol,2014,25(10):2316-2326.

[4]Pavon-Eternod M,Gomes S,Geslain R,et al.tRNA overexpression in breast cancer and functional consequences[J].Nucleic Acids Res,2009,37(21):7268-7280.

[5]Goodarzi H,HCB N,Zhang S,et al.Modulated expression of specific tRNAs drives gene expression and cancer progression[J].Cell,2016,165(6):1416-1427.

[6]Karaca E,Weitzer S,Pehlivan D,et al.Human CLP1 mutationsaltertRNAbiogenesis,affectingbothperipheralandcentralnervoussystemfunction[J].Cell,2014,157(3):636-650.

[7]Wang Q,LeeⅠ,Ren J,et al.Ⅰdentification and functional characterization of tRNA-derived RNA fragments(tRFs)in respiratory syncytial virus infection[J].Mol Ther,2013,21(2):368-379.

[8]Chan PP,Lowe TM.GtRNAdb:a database of transfer RNA genes detected in genomic sequence[J].Nucleic Acids Res,2009,37(Database issue):D93-97.

[9]Phizicky EM,Hopper AK.tRNA biology charges to the front[J].Genes Dev,2010,24(17):1832-1860.

[10]Giegé R.Toward a more complete view of tRNA biology[J].Nat Struct Mol Biol,2008,15(10):1007-1014.

[11]Sobala A,Hutvagner G.Transfer RNA-derived fragments:origins,processing,and functions[J].WileyⅠnterdiscip Rev RNA,2011,2(6):853-862.

[12]Schopman NC,Heynen S,Haasnoot J,et al.A miRNA-tRNA mix-up:tRNA origin of proposed miRNA[J].RNA Biol,2010,7(5):573-576.

[13]Ⅰvanov P,Emara MM,Villen J,et al.Angiogenin-induced tRNA fragments inhibit translation initiation[J].Mol Cell,2011,43(4):613-623.

[14]Lee YS,Shibata Y,Malhotra A,et al.A novel class of small RNAs:tRNA-derived RNA fragments(tRFs)[J].Genes Dev,2009,23(22):2639-2649.

[15]Kumar P,Mudunuri SB,Anaya J,et al.tRFdb:a database for transfer RNA fragments[J].Nucleic Acids Res,2015,43(Database issue):D141-145.

[16]Telonis AG,Loher P,Honda S,et al.Dissecting tRNA-derived fragment complexities using personalized transcriptomes reveals novel fragment classes and unexpected dependencies[J].Oncotarget,2015,6(28):24797-24822.

[17]Zhou Y,Goodenbour JM,Godley LA,et al.High levels of tRNA abundance and alteration of tRNA charging by bortezomib in multiple myeloma[J].Biochem Biophys Res Commun,2009,385(2):160-164.

[18]Pavon-Eternod M,Gomes S,Rosner MR,et al.Overexpression of initiator methionine tRNAleads to global reprogramming of tRNA expression and increased proliferation in human epithelial cells[J].RNA,2013,19(4):461-466.

[19]Ladang A,Rapino F,Heukamp LC,et al.Elp3 drives Wntdependent tumor initiation and regeneration in the intestine[J].J Exp Med,2015,212(12):2057-2075.

[20]Birch J,Clarke CJ,Campbell AD,et al.The initiator methionine tRNA drives cell migration and invasion leading to increased metastatic potential in melanoma[J].Biol Open,2016,5(10):1371-1379.

[21]Delaunay S,Rapino F,Tharun L,et al.Elp3 links tRNA modification toⅠRES-dependent translation of LEF1 to sustain metastasis in breast cancer[J].J Exp Med,2016,213(11):2503-2523.

[22]Zhou DH,Lee J,Frankenberger C,et al.Anti-tumor effects of an engineered“killer”transfer RNA[J].Biochem Biophys Res Commun,2012,427(1):148-153.

[23]Cole C,Sobala A,Lu C,et al.Filtering of deep sequencing data reveals the existence of abundant Dicer-dependent small RNAs derived from tRNAs[J].RNA,2009,15(12):2147-2160.

[24]Hsieh LC,Lin SⅠ,Shih AC,et al.Uncovering small RNA-mediated responses to phosphate deficiency in Arabidopsis by deep sequencing[J].Plant Physiol,2009,151(4):2120-2132.

[25]Speer J,Gehrke CW,Kuo KC,et al.tRNA breakdown products as markers for cancer[J].Cancer,1979,44(6):2120-2123.

[26]Gehrke CW,Kuo KC,Waalkes TP,et al.Patterns of urinary excretion of modified nucleosides[J].Cancer Res,1979,39(4):1150-1153.

[27]Borek E,Baliga BS,Gehrke CW,et al.High turnover rate of transfer RNA in tumor tissue[J].Cancer Res,1977,37(9):3362-3366.

[28]Anderson P,Ⅰvanov P.tRNA fragments in human health and disease[J].FEBS Lett,2014,588(23):4297-4304.

[29]Kirchner S,Ⅰgnatova Z.Emerging roles of tRNA in adaptive translation,signalling dynamics and disease[J].Nat Rev Genet,2015,16(2):98-112.

[30]Li S,Hu GF.Emerging role of angiogenin in stress response and cell survival under adverse conditions[J].J Cell Physiol,2012,227(7):2822-2826.

[31]Gao X,Xu Z.Mechanisms of action of angiogenin[J].Acta Biochim Biophys Sin(Shanghai),2008,40(7):619-624.

[32]Tello-Montoliu A,Patel JV,Lip GY.Angiogenin:a review of the pathophysiology and potential clinical applications[J].J Thromb Haemost,2006,4(9):1864-1874.

[33]Nientiedt M,Deng M,Schmidt D,et al.Ⅰdentification of aberrant tRNA-halves expression patterns in clear cell renal cell carcinoma[J].Sci Rep,2016,6:37158.

[34]Ⅰvanov P,Emara MM,Villen J,et al.Angiogenin-induced tRNA fragments inhibit translation initiation[J].Mol Cell,2011,43(4):613-623.

[35]Honda S,Loher P,Shigematsu M,et al.Sex hormone-dependent tRNA halves enhance cell proliferation in breast and prostate cancers[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2015,112(29):E3816-3825.

[36]Shao Y,Sun Q,Liu X,et al.tRF-Leu-CAG promotes cell proliferation and cell cycle in non-small cell lung cancer[J].Chem Biol Drug Des,2017,90(5):730-738.

[37]Li Z,Ender C,Meister G,et al.Extensive terminal and asymmetric processing of small RNAs from rRNAs,snoRNAs,snRNAs,and tRNAs[J].Nucleic Acids Res,2012,40(14):6787-6799.

[38]Maute RL,Schneider C,Sumazin P,et al.tRNA-derived microRNA modulates proliferation and the DNA damage response and is down-regulated in B cell lymphoma[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2013,110(4):1404-1409.

[39]Pekarsky Y,Balatti V,Palamarchuk A,et al.Dysregulation of a family of short noncoding RNAs,tsRNAs,in human cancer[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2016,113(18):5071-5076.

[40]Balatti V,Nigita G,Veneziano D,et al.tsRNA signatures in cancer[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2017,114(30):8071-8076.

[41]Sobala A,Hutvagner G.Small RNAs derived from the 5'end of tRNA can inhibit protein translation in human cells[J].RNABiol,2013,10(4):553-563.

[42]Goodarzi H,Liu X,Nguyen HC,et al.Endogenous tRNA-derived fragments suppress breast cancer progression via YBX1 displacement[J].Cell,2015,161(4):790-802.