真核生物3′UTR的轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控及其與腫瘤的關(guān)系

康 南 王 宇 王 穎 毛伊雯 燕太強(qiáng) 沈丹華

真核生物3′非翻譯區(qū)(3′untranslated regions，3′UTR)即非翻譯區(qū)，是指mRNA分子兩端的非編碼片段，研究發(fā)現(xiàn)，許多mRNA的調(diào)控元件存在于5′UTR及3′UTR中，5′UTR主要起始調(diào)控mRNA翻譯，3′UTR調(diào)控mRNA的多種代謝，包括出核、胞質(zhì)定位、翻譯效率及mRNA穩(wěn)定性等[1]。此前一直對mRNA的5′UTR的研究頗多，而對3′UTR的研究相對較少，近幾年來，真核mRNA的3′UTR在基因表達(dá)調(diào)控中的作用越來越受到重視，隨著對人類全基因組相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)突變發(fā)生在非編碼區(qū)要比編碼區(qū)更易引起疾病，如突變發(fā)生在3′UTR或與miRNA結(jié)合區(qū)，會破壞細(xì)胞調(diào)控機(jī)制，從而引起疾病甚至細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生[3]。本文將對3′UTR轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控及其突變與腫瘤的關(guān)系的研究進(jìn)展做一綜述。

一、3′UTR和5′UTR的關(guān)系

真核生物mRNA的5′UTR從mRNA起點的甲基化鳥嘌呤核苷酸帽延伸至AUG起始密碼子，3′UTR從編碼區(qū)末端的終止密碼子延伸至多聚A尾巴(poly-A)的末端。真核生物的mRNA一般具有共同的結(jié)構(gòu)，包括外顯子、內(nèi)含子，5′和3′非翻譯區(qū)，5′端是帽子結(jié)構(gòu)，3′端是poly(A)結(jié)構(gòu)，在mRNA的翻譯和非翻譯區(qū)包含很多信號，如翻譯起始和終止信號等。研究表明，mRNA的5′UTR與3′UTR在mRNA的翻譯過程中互相依賴、相互協(xié)同以提高翻譯效率，其中5′UTR通常包含增強(qiáng)調(diào)控元件(enhancer regulatory element)，主要調(diào)控mRNA翻譯的起始，3′UTR主要參與調(diào)控mRNA的多種代謝，包括調(diào)控mRNA的體內(nèi)穩(wěn)定性及降解速率，控制其利用效率，協(xié)助辨認(rèn)特殊密碼子，還決定mRNA的翻譯位點及控制其翻譯效率，其中包括mRNA的折疊、核內(nèi)運(yùn)輸相互作用、mRNA加工、剪切和翻譯以及細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸和定位等[2]。如果mRNA的5′帽子結(jié)構(gòu)缺失則不能促進(jìn)其翻譯，在某些物種中其帽子結(jié)構(gòu)存在但poly(A)尾缺乏的情況下也可以起始翻譯，但是其翻譯效率并不會太高，若poly(A)尾巴或類似功能的結(jié)構(gòu)同時存在時，可使mRNA的翻譯效率提高一個數(shù)量級，提示5′帽子和3′poly(A)尾巴在缺少任何一方時都會對翻譯產(chǎn)生負(fù)面影響，帽子和poly(A)尾以及類似的結(jié)構(gòu)在翻譯時是相互作用、相互影響的[4]。

二、3′UTR的轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控

1.3′UTR末端加工信號調(diào)控mRNA 3′末端的加工：3′UTR內(nèi)存在末端加工信號以指導(dǎo)mRNA 3′末端的加工, 人類mRNA轉(zhuǎn)錄本中3′UTR平均長度>500nt，幾乎是5′UTR平均長度的4倍，這種長度使得3′UTR包含更多的結(jié)構(gòu)元件及更多的與反式作用因子結(jié)合的位點，從而賦予3′UTR行使特異轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的重要使命[5]。3′末端存在兩個很重要的保守序列：①位于切割位點上游10～35nt處的AAUAAA序列；②poly(A)位點下游的富含U或GU的序列，它們可以被pre mRNA加工復(fù)合物特異的RNA結(jié)合蛋白(RBPs)所識別和結(jié)合，參與調(diào)控mRNA多種代謝過程[6]。

2.3′UTR調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性及翻譯過程:真核細(xì)胞3′UTR在基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控中起到非常重要的作用，其參與mRNA代謝的多個過程，包括調(diào)控mRNA 3′末端的加工，如mRNA的剪切和多聚腺苷酸化過程，還可以參與調(diào)控mRNA翻譯過程、mRNA穩(wěn)定性、mRNA降解及其細(xì)胞定位與運(yùn)輸?shù)冗^程。mRNA降解是基因表達(dá)調(diào)控的一個重要機(jī)制，適時地關(guān)閉不再需要表達(dá)的基因和清除不再有用的mRNA是基因表達(dá)調(diào)控的重要階段，轉(zhuǎn)錄本中參與調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定性的元件也存在于3′UTR中[2]。mRNA翻譯過程的調(diào)控對于基因表達(dá)的影響是非常重要的，通過一系列反式作用因子與mRNA的5′UTR或者3′UTR結(jié)合從而影響mRNA翻譯的起始、延伸及終止的過程，3′UTR對mRNA翻譯的調(diào)控主要通過以下兩方面進(jìn)行：(1) 翻譯效率的調(diào)控：在多數(shù)情況下，3′UTR含有多種順式作用元件，它們能與反式作用因子相互作用來抑制翻譯的進(jìn)行，其中最常見的順式作用元件有富含AU的元件(AREs)、富含GU的元件(GREs)、富含CU的元件(CUREs)及分化調(diào)控元件(DICEs)、富含CA的元件(CAREs)、離子反應(yīng)元件(IREs)和硒代半胱氨酸插入序列元件(SECIS)，它們可以與相應(yīng)的反式作用因子相互作用從而調(diào)控mRNA的翻譯效率。(2) 編碼功能的調(diào)控：在真核細(xì)胞中，UGA密碼子一般是翻譯終止信號，但在3′UTR內(nèi)存在的順式作用元件“硒代半胱氨酸插入序列”(SECIS)的指導(dǎo)下，UGA編碼的罕見硒代半胱氨酸(Se-Cys)能摻入多肽鏈中，從而控制某些特殊遺傳密碼子的辨認(rèn)，進(jìn)而調(diào)控mRNA的編碼功能[7]。

3.3′UTR控制mRNA的定位：3′UTR在轉(zhuǎn)錄本的定位和翻譯調(diào)控中起到至關(guān)重要的作用，這包括mRNA的定位和蛋白質(zhì)合成的胞質(zhì)定位，mRNA的定位主要取決于順式作用元件3′UTR，這種定位元件長度一般從幾個核苷酸(nt)到>1kb，且主要存在于3′UTR中[8]。研究表明，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有很多種mRNA是特定定位的，這在果蠅卵細(xì)胞中表現(xiàn)最為突出，其內(nèi)的許多mRNA和蛋白質(zhì)的正確定位對胚胎極性的建立以及隨后的胚胎分裂是必需的，mRNA在胞質(zhì)中的具體定位與轉(zhuǎn)錄本和細(xì)胞骨架之間的相互作用有關(guān)[7]。

4.3′UTR與主要的反式作用因子相互作用參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控:眾所周知，3′UTR可以與反式作用因子相互作用從而參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，目前常見的反式作用因子主要有RNA結(jié)合蛋白(RBPs)和非編碼RNAs(non coding RNAs)，其中包括microRNAs(miRNAs)，small nucleolar RNAs(snoRNAs)及l(fā)ong non coding RNAs(lncRNAs)。miRNAs是一些由內(nèi)源性基因編碼的長度約22nt的單鏈non coding RNAs, 它們的靶向序列一般有2～8個核苷酸與mRNA 3′UTR的5′端或“seed region”互補(bǔ)結(jié)合來調(diào)控基因的表達(dá)，從而阻止靶mRNA的翻譯或者直接降解靶mRNA[9]。第1個被確認(rèn)的miRNA——在線蟲中首次發(fā)現(xiàn)的lin-4和let-7，可以通過部分互補(bǔ)結(jié)合到目的mRNA靶的3′非編碼區(qū)(3′UTRs)，以一種未知方式誘發(fā)蛋白質(zhì)翻譯抑制，進(jìn)而抑制蛋白質(zhì)合成，通過調(diào)控一組關(guān)鍵mRNAs的翻譯從而調(diào)控線蟲發(fā)育進(jìn)程，目前已有越來越多人證明了突變發(fā)生在miRNA或3′UTR的靶向區(qū)域內(nèi)將改變靶基因的表達(dá)進(jìn)而影響腫瘤的發(fā)生率[3,10]。

3′UTR也可以與RNA結(jié)合蛋白相互作用參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，RBPs通過招募其他的效應(yīng)分子或者直接與3′UTR的順式作用元件相互結(jié)合從而參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，近年來研究發(fā)現(xiàn)一些核酸分子可以介導(dǎo)蛋白及蛋白的相互作用(PIP)，從而調(diào)控蛋白質(zhì)的多種代謝過程包括蛋白復(fù)合物的形成、蛋白質(zhì)的定位及蛋白的功能等過程，而不改變其自身的氨基酸序列，這為拓寬3′UTR的功能提供思路[11, 12]。

三、3′UTR與腫瘤的關(guān)系

1.3′UTR的突變與腫瘤的關(guān)系：正常組織中，調(diào)控細(xì)胞增殖、凋亡、細(xì)胞壽命、細(xì)胞侵襲和極性的這些通路是正常有序進(jìn)行的，而在腫瘤組織中，這些通路是調(diào)控異常的，目前已經(jīng)有多篇報道，在人類腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)一些mRNA 3′UTR的突變和異常表達(dá)，而這些突變和異常是存在于腫瘤的病變開始到侵襲轉(zhuǎn)移過程中的，從而能調(diào)控腫瘤發(fā)生、進(jìn)展和轉(zhuǎn)移等過程[3]。3′UTR突變包括點突變、移位、缺失、擴(kuò)增等形式，其中點突變?nèi)舭l(fā)生在與miRNA結(jié)合區(qū)將會產(chǎn)生或破壞miRNA與mRNA的結(jié)合，從而引發(fā)惡性轉(zhuǎn)化，3′UTR缺失會通過選擇性改變poly(A)來縮短3′UTR從而改變miRNA調(diào)控的癌基因，例如癌基因IGF2BP1/IMP1，將會導(dǎo)致癌基因的轉(zhuǎn)化[13]。近年來，通過對人類全基因組相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)突變發(fā)生在非編碼區(qū)要比編碼區(qū)的突變更易引起疾病，突變發(fā)生在3′UTR的結(jié)合區(qū)或miRNA會破壞調(diào)控機(jī)制，從而引起細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化導(dǎo)致腫瘤發(fā)生[3]。有文獻(xiàn)報道BRCA1的3′UTR區(qū)的單核苷酸突變將成為一個腫瘤標(biāo)志物來預(yù)測腫瘤風(fēng)險，在BRCA1突變的患者中PHB和MTHFR的3′UTR的單核苷酸突變導(dǎo)致乳腺癌發(fā)生風(fēng)險增加[14]；另外有研究發(fā)現(xiàn)3′UTR與microRNA的結(jié)合區(qū)發(fā)生突變將會影響腫瘤的發(fā)生，如REV3L 基因3′UTR單核苷酸突變后促進(jìn)肺癌的發(fā)生[15]。表皮生長因子體(EGFR)通過介導(dǎo)細(xì)胞壽命、細(xì)胞凋亡、腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移來參與致瘤過程，最近發(fā)現(xiàn)EGFR的3′UTR 774T>C突變能促進(jìn)膀胱癌的發(fā)生[16]。KIT基因3′UTR與microRNA結(jié)合區(qū)發(fā)生突變后會增加肢端黑色素瘤發(fā)生的風(fēng)險[17]；mannose-binding lectin 2 (MBL2)的3′UTR的SNP可以增加結(jié)直腸癌發(fā)生的風(fēng)險[18]。MDM4基因能通過抑制p53蛋白功能促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，因此當(dāng)MDM4的3′UTR突變將會影響卵巢癌的進(jìn)展及化療敏感度進(jìn)而延遲卵巢癌進(jìn)展和腫瘤相關(guān)的死亡[19]。Thymidylate synthase (TS)基因的3′UTR的突變與非小細(xì)胞肺癌的化療敏感度有關(guān)[20]。MYCL1基因的3′UTR的SNP將會增加小細(xì)胞肺癌的易感性[21]；cyclin E1基因的3′UTR的SNP與鼻咽癌發(fā)生相關(guān)[22]。這些提示3′UTR的突變對于腫瘤的發(fā)生、發(fā)展具有重要的作用，這使其有可能成為評估腫瘤發(fā)生風(fēng)險的生物標(biāo)志物。

2.3′UTR作為獨立RNA分子與腫瘤的關(guān)系：眾所周知，3′UTR可以通過與反式作用因子主要有RNA結(jié)合蛋白(RBPs)及 miRNAs相互作用來調(diào)控mRNA多種代謝過程。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)3′UTR可以作為獨立的RNA分子發(fā)揮來調(diào)控靶基因的表達(dá)和相應(yīng)的生物學(xué)活性。有文獻(xiàn)報道，抗增殖蛋白基因prohibitin mRNA擁有較長的3′UTR，它發(fā)揮的抗增殖活性區(qū)域定位于3′UTR，研究發(fā)現(xiàn)prohibitin 3′UTR在乳腺癌癥細(xì)胞中可以以一種獨立的RNA分子發(fā)揮抑癌功能[23]。另外有研究發(fā)現(xiàn)，C/EBPβ 3′UTR包含腫瘤抑制功能的RNA調(diào)控元件，其3′UTR可以作為獨立存在的RNA分子發(fā)揮抑癌功能[24]。核苷酸還原酶基因的3′UTR可以作為一種重要限制酶參與DNA合成從而抑制轉(zhuǎn)化成纖維細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞(HeLa)的生長增殖和轉(zhuǎn)移的過程，這些研究提示3′UTR可能可以單獨作為抑癌基因又可以作為癌基因來發(fā)揮作用，使得3′UTR可能作為一種新的RNA分子成為腫瘤診斷的分子標(biāo)志物或者藥物靶點從而指導(dǎo)腫瘤的診斷和治療[25]。

綜上所述，3′UTR在轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控及其突變在細(xì)胞分化，生長發(fā)育、增殖凋亡及腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮如此重要的作用，也越來越多的引起研究者的關(guān)注，隨著對于3′UTR及miRNA作用機(jī)制的深入研究，將有助于更加全面地了解細(xì)胞生長、分化、惡性轉(zhuǎn)化、細(xì)胞周期調(diào)控等生命現(xiàn)象的復(fù)雜性，從而使人們對于高等真核生物基因表達(dá)調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)理解提高到一個新的水平，隨著對3′UTR與腫瘤關(guān)系的研究的進(jìn)一步深入，也將使3′UTR可能成為腫瘤診斷的新的生物學(xué)標(biāo)志，還可能使得這一分子成為藥靶，或是模擬這一分子進(jìn)行新藥研發(fā)，從而可能為人類疾病及腫瘤的預(yù)防、診斷和治療提供一種新的手段，并拓寬3′UTR相關(guān)腫瘤的診斷和治療的領(lǐng)域和視野。