tRNA衍生片段在腫瘤中的研究進(jìn)展*

周永強(qiáng) 吳永娜 李汛③④

生物標(biāo)志物對(duì)于腫瘤的診斷、治療和預(yù)測(cè)復(fù)發(fā)具有重要意義，其有助于早期發(fā)現(xiàn)腫瘤并指導(dǎo)腫瘤靶向治療的選擇。近年來(lái)，深度基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使得檢測(cè)和研究小非編碼RNA（small non-coding RNA，sncRNA）成為可能，轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA）由于其在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的特殊生物學(xué)功能成為腫瘤和多種人類疾病的研究焦點(diǎn)［1］。根據(jù)tRNA不同的切割位點(diǎn)，tRNA 衍生片段可分為兩種主要類型：tRF（tRNA-derived small RNA fragments）和tiRNA（tRNA halves）。已在多種人類疾病中觀察到異常表達(dá)的tRF&tiRNA，包括腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病和傳染病等，尚待確定這些tRF&tiRNA 是否和疾病的發(fā)病機(jī)制相關(guān)，但其為探索和開(kāi)發(fā)新的生物標(biāo)志物提供了新的視角，tRF&tiRNA 可能是腫瘤治療的新靶點(diǎn)。

1 tRF & tiRNA概述

1.1 tRNA的來(lái)源和結(jié)構(gòu)

未成熟tRNA 通過(guò)RNA 聚合酶Ⅲ轉(zhuǎn)錄為前體分子（precursor tRNA，pre-tRNA），pre-tRNA 通過(guò)向3'末端和特定5'末端添加核苷酸，剪接反應(yīng)切除內(nèi)含子等步驟產(chǎn)生成熟tRNA［2］。組成tRNA 的核苷經(jīng)常被修飾，使被修飾的核苷具有tRNA 鑒別、翻譯保真度、tRNA 質(zhì)量控制等功能。tRNA 具有保守的三葉草二級(jí)結(jié)構(gòu)，由D-環(huán)、反密碼子環(huán)、可變環(huán)、TψC 環(huán)組成（圖1）。成熟tRNA 或pre-tRNA 不同位點(diǎn)的特異性切割形成兩組tRNA 衍生片段：tiRNA 和tRF。其中，tiRNA 包括5'-tRNA 半（5'-tRNA halves，tiRNA-5）和3'-tRNA 半（3'-tRNA halves，tiRNA-3），tRF 包 括tRF-5、tRF-3、tRF-1和i-tRF［3］。

圖1 tRNA衍生片段的來(lái)源及不同亞類

1.1.1 tRF 的來(lái)源及不同亞類 tRF 為衍生自成熟tRNA 和pre-tRNA 的小RNA 片段，根據(jù)來(lái)源可分為tRF-5，衍生自成熟tRNA 的D 環(huán)；tRF-3 衍生自成熟tRNA 的TψC 環(huán)；tRF-1 通過(guò)切割pre-tRNA 的3'末端產(chǎn)生；i-tRF 來(lái)源于成熟tRNA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)域的切割［4］。有研究表明，tRF-5和tRF-3通過(guò)Dicer依賴性途徑產(chǎn)生［5］，然而也有報(bào)道表明，tRF-5和tRF-3的生物發(fā)生不依賴Dicer途徑［6］。tRF-5和tRF-3可以與Ago蛋白（Argonaute proteins，Ago）和Piwi 蛋白（PIWI proteins）相互作用，調(diào)控轉(zhuǎn)錄前與轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)水平［7］。tRF-1通過(guò)核酸內(nèi)切酶Z（endonuclease Z，RNase Z）途徑發(fā)生［8］，tRF-1不與任何Ago蛋白結(jié)合。i-tRF可在成熟tRNA 內(nèi)部的任何位置，但不跨越5'或3'末端。i-tRF的生物發(fā)生和功能仍需要進(jìn)一步研究。

1.1.2 tiRNA 的來(lái)源及不同亞類 tRNA 半（tiRNA）通過(guò)在成熟tRNA 反密碼子環(huán)中特異性切割產(chǎn)生，主要類型有tiRNA-5 和tiRNA-3。tiRNA 在氨基酸缺乏、磷酸鹽饑餓、紫外線輻射、熱休克、缺氧、氧化損傷和病毒感染等應(yīng)激條件下產(chǎn)生［9］。血管生成素酶（angiogenin，ANG）主要參與哺乳動(dòng)物中tiRNA 的形成，ANG 介導(dǎo)產(chǎn)生的tiRNA 受到精確調(diào)節(jié)［10］。ANG通過(guò)將tRNA切割成tiRNA激活其細(xì)胞保護(hù)應(yīng)激反應(yīng)程序。

1.2 tRF&tiRNA的特征

tRF為血清中最豐富的小非編碼RNA［11］。tRF在包括果蠅、酵母、真菌到哺乳動(dòng)物等多種生物中表達(dá)，但并非所有tRNA 都產(chǎn)生tRF，并且不同系列的tRF 表達(dá)不均勻。tRNA 以組織特異性方式表達(dá)，tRNA 片段的長(zhǎng)度，起點(diǎn)和終點(diǎn)以及相對(duì)豐度取決于性別、種群以及組織、疾病和疾病亞型［12］。不同生物流體（包括唾液、血清、羊水、精液、尿液和膽汁等）中tRF&tiRNA的表達(dá)存在較大差異［13］。

tRF & tiRNA 具有修飾不易降解，所以比線性RNA 更為穩(wěn)定［14］，但不同片段間的穩(wěn)定性可能是不對(duì)稱的。

1.3 tRF&tiRNA的生物學(xué)功能

tRF & tiRNA 與microRNA（miRNA）具有相似的功能［15］，如來(lái)自非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）細(xì)胞中tRNALeu-CAG 的3-tRF 具有miRNA 樣結(jié)構(gòu)和功能，抑制蛋白質(zhì)翻譯［16］。miR-1280、miR-1274a/b 和miR-886-5 的序列與tRNALeu的3'末端，tRNALys 的3'末端和tRNAAla 的5'末端一致［17］。tRF-5 和tRF-3 的特定區(qū)域可以形成tRFmiRNA 嵌合體［18］。上述研究表明，tRF&tiRNA 可以通過(guò)與miRNA相似的方式發(fā)揮生物學(xué)功能（圖2）。

圖2 tRNA衍生片段的功能

1.3.1 調(diào)節(jié)翻譯 將天然存在的5'-tiRNA轉(zhuǎn)染到人成骨細(xì)胞系U2OS 中，發(fā)現(xiàn)翻譯被抑制［19］。選擇的tiRNA-5s（5'-tiRNAAla和5'-tiRNACys），能夠與翻譯起始復(fù)合物中的eIF4G/eIF4A 競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合抑制翻譯啟動(dòng)［20］。tRF-5 的假尿苷酸化（pseudouridylation，Ψ）也可以引導(dǎo)干細(xì)胞的翻譯起始，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物合成增加和胚層特異性缺陷［21］。

1.3.2 調(diào)節(jié)基因表達(dá) tRF 與基因表達(dá)調(diào)控和基因沉默有關(guān)，能夠在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上調(diào)節(jié)遺傳信息的表達(dá)。tRF可以通過(guò)結(jié)合Ago蛋白通過(guò)代謝轉(zhuǎn)錄因子沉默基因［22］。精子中由tRNAGly-GCC 產(chǎn)生的tRF-5抑制了與胚胎干細(xì)胞相關(guān)的基因表達(dá)［23］。

1.3.3 調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng) 有研究表明，tRF-1001 的敲低使細(xì)胞增殖受損，細(xì)胞在G2期中特異性積累，進(jìn)而影響細(xì)胞活動(dòng)［24］。Saikia 等［25］研究發(fā)現(xiàn)，tiRNA 的積累伴隨著小鼠胚胎成纖維細(xì)胞的存活增加。5'-tRNAGln 片段介導(dǎo)TRMT10A（一種tRNA 甲基轉(zhuǎn)移酶）缺陷誘導(dǎo)β細(xì)胞死亡［2］。

1.3.4 參與免疫調(diào)節(jié) 在急性炎癥階段，血循環(huán)中tRF 水平迅速增加，表明tRF 可能在免疫反應(yīng)中起重要作用［26］。在單核細(xì)胞成熟為樹(shù)突狀細(xì)胞期間，來(lái)自tRNAGlu 的tRF-5 可 與Ago 樣 蛋 白PIWIL4 和PI?WIL1 相互作用形成復(fù)合物，該復(fù)合物使CD1A 的轉(zhuǎn)錄被顯著抑制［27］。來(lái)自亞砷酸鹽處理細(xì)胞的tRF 被證明在亞砷酸鹽誘導(dǎo)的p65 活化和IL-8 產(chǎn)生中發(fā)揮作用［28］。另外在對(duì)tRNA 的免疫原性和Toll 樣受體（Toll like receptors，TLRs）對(duì)tRNA 的識(shí)別中發(fā)現(xiàn)，TLR3 可以顯著識(shí)別tRNAAla 的3'CCACCA 序列，該序列和TLR3相互作用以激活Th1和毒性T淋巴細(xì)胞的免疫應(yīng)答［29］。

2 tRF & tiRNA在不同腫瘤中的研究進(jìn)展

2.1 tRF&tiRNA與乳腺癌

Dhahbi等［30］研究發(fā)現(xiàn)，乳腺癌的診斷與tRNA特定亞型水平的變化有關(guān)。低氧條件下，來(lái)自tRNAGlu、tRNAAsp、tRNAGly和tRNATyr的tRF在乳腺癌細(xì)胞系中上調(diào)，tRF取代來(lái)自致癌RNA結(jié)合蛋白YBX1的致癌轉(zhuǎn)錄物，從而抑制了轉(zhuǎn)移進(jìn)展［31］。Honda等［32］研究發(fā)現(xiàn)，一種tRNA衍生的小RNA，被稱為性激素依賴性tRNA衍生的RNA（sex hormone-dependent tRNA-derived RNAs，SHOT-RNAs），其在雌激素受體（estrogen receptor，ER）陽(yáng)性乳腺癌細(xì)胞系中特異性和豐富地表達(dá)。Sun等［33］檢測(cè)了正常乳腺上皮細(xì)胞系、曲妥珠單抗敏感和抗性乳腺癌細(xì)胞系中tRNA衍生片段的表達(dá)水平，結(jié)果顯示tRNA衍生的片段在不同細(xì)胞系中差異表達(dá)，tRF-30-JZOYJE22RR33和tRF-27-ZDXPHO53KSN的過(guò)表達(dá)可視為乳腺癌無(wú)進(jìn)展生存期（progression-free survival，PFS）的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。研究表明，低氧處理的三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）細(xì)胞系中tDR-0009（衍生自tRNAGly-GCC-1-1）和tDR-7336（衍生自tRNA Gly-GCC-1-2）顯著上調(diào)，兩種上調(diào)的tDR主要參與維持干細(xì)胞群和細(xì)胞對(duì)白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-6的反應(yīng)，可能是促進(jìn)TNBC中阿霉素耐藥的機(jī)制［34］。研究表明，TNBC 中tRNAHis-GTG、tRNAGln-TTG 和tRNAGln-CTG的豐度較正常乳腺顯著降低，來(lái)自特定tRNA基因座（如核tRNAGly和tRNALeu，線粒體tRNAVal和tRNAPro）與TNBC種族差異密切相關(guān)［35］。

2.2 tRF&tiRNA與前列腺癌

與前列腺癌（prostate cancer，PCa）相比，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移前列腺癌（lymph node-positive PCa，LN-PCa）中tRNA 衍生片段的表達(dá)增加超過(guò)20%，其可能機(jī)制是由 于LN-PCa 中tRNA 的不同衍生過(guò)程所致［36］。Olvedy 等［37］研究發(fā)現(xiàn)，與正常前列腺組織相比，前列腺癌組織中有598 個(gè)tRF 失調(diào)，tRF-315（衍生自tRNALys-CTT）/tRF-544（衍生自tRNAPhe-GAA）比值可能為前列腺癌進(jìn)展的臨床生物標(biāo)志物。Magee等［38］在分析前列腺癌數(shù)據(jù)集時(shí)發(fā)現(xiàn)了大量與前列腺癌有關(guān)的tRF，并且不同種族患者tRF表達(dá)不同。

2.3 tRF&tiRNA與其他腫瘤

tRF/miR-1280 通過(guò)抑制Notch 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑抑制人結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）的細(xì)胞增殖和腫瘤生長(zhǎng)［39］。ts-53和ts-101在結(jié)腸腺瘤向結(jié)腸腺癌轉(zhuǎn)化的初始階段發(fā)揮作用，而ts-36可能在結(jié)腸細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化的最后階段中發(fā)揮作用［9］。在CRC 患者中，5'-tiRNA表達(dá)更高，并與腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)［14］。

在NSCLC 腫瘤組織和細(xì)胞系中tRFLeu-CAG 水平上調(diào)，tRFLeu-CAG 在Ⅲ、Ⅳ期患者中表達(dá)上調(diào)，并且與疾病的發(fā)展階段有關(guān)［40］。卵巢癌細(xì)胞中的tRNAGlu-CTC 能夠抑制乳腺癌抗雌激素耐藥性3（breast cancer anti-estrogen resistance 3，BCAR3）表達(dá)，抑制卵巢癌細(xì)胞增殖［41］。在透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）中，tRFVal-AAC 顯著下降，tRFVal-AAC 水平與腫瘤分期和分級(jí)呈負(fù)相關(guān)［42］。在骨髓增生異常綜合征（myelodysplas?tic syndromes，MDS）中，治療前樣品中tRF 的表達(dá)可以預(yù)測(cè)DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑（DNA methyltransfer?ase inhibitors，DNMTI）治療的反應(yīng)［43］。與從未進(jìn)展為急性髓系白血?。╝cute myeloid leukemia，AML）的MDS 患者相比，后來(lái)發(fā)展為AML 的MDS 患者中tRFAsp 表達(dá)顯著降低，可能為預(yù)測(cè)由MDS 進(jìn)展為AML的生物標(biāo)志物［44］。

3 展望

tRF&tiRNA組織特異性、高度豐富而穩(wěn)定、廣泛存在的特征使其能夠在多種腫瘤樣本中檢測(cè)到，在新型生物標(biāo)志物的探索和開(kāi)發(fā)上具有巨大優(yōu)勢(shì)。盡管tRF&tiRNA 研究取得了一些重要進(jìn)展，并成為一個(gè)新的熱點(diǎn)，然而tRF & tiRNA 研究仍處于早期階段，并存在許多需要解決的問(wèn)題。1）tRF&tiRNA 參與調(diào)控翻譯、調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖與凋亡等方式在人類腫瘤中具有重要作用，但迄今為止，大多數(shù)tRF&tiRNA生物發(fā)生機(jī)制尚未明確；2）組成tRNA 核苷酸含有大量修飾，但tRNA 修飾的改變與功能的潛在關(guān)系仍未明確，探索tRNA 堿基修飾更具體的信息顯得尤為重要；3）tRF & tiRNA 的生物發(fā)生過(guò)程尚未清晰，Dicer是否參與tRF 的生物發(fā)生存在爭(zhēng)議，ANG 介導(dǎo)的tiR?NA 產(chǎn)生過(guò)程及調(diào)節(jié)機(jī)制仍未完全理解；4）目前研究仍局限在少數(shù)特定的tRF&tiRNA，tRF&tiRNA是否在所有組織樣本中特異性表達(dá)仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。tRF&tiRNA重要的生物學(xué)功能預(yù)示著其在腫瘤診斷和治療策略中具有巨大潛力和應(yīng)用前景，tRF&tiRNA有望成為腫瘤治療的新方向。