tRNA影響腫瘤發(fā)生發(fā)展的研究進展

徐慧璇，陳文標，戴勇

(暨南大學第二臨床醫(yī)學院 深圳市人民醫(yī)院臨床醫(yī)學研究中心，廣東 深圳518020)

轉運RNA(transfer RNA，tRNA)自發(fā)現(xiàn)以來，一直受到科學家們的廣泛關注。tRNA是細胞內主要的RNA分子之一，通常由73～93個核苷酸組成，其三級結構呈“倒 L”型。tRNA的經典功能是參與蛋白質合成，其3′端負責將相應的氨基酸攜帶進入核糖體，然后通過反密碼子與信使RNA上的密碼子相互配對識別，從而確保遺傳信息的精確傳遞[1]。tRNA作為連接遺傳信息和對應氨基酸之間的“接頭分子”，是蛋白質合成中的關鍵生物大分子之一。近年來，腫瘤相關因子的鑒定已經成為研究熱點，有助于了解腫瘤發(fā)生的基本機制，并為發(fā)現(xiàn)相關的治療靶點提供依據。近年來的研究表明，tRNA可以通過加速轉錄翻譯調控和提供對腫瘤代謝有高需求的分子而在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用[2-4]。此外，tRNA與其他小非編碼RNA分子相似，具有組織特異性、相對穩(wěn)定性[5]。因此，基于tRNA的非侵襲性生物標志物在腫瘤診斷中具有廣闊的應用前景?，F(xiàn)就tRNA影響腫瘤發(fā)生、發(fā)展的研究進展予以綜述，旨在更好地了解腫瘤的發(fā)病機制和提供對腫瘤研究新的切入點，為腫瘤個性化治療的開展奠定生物化學基礎。

1 tRNA的表達水平與腫瘤

2 tRNA衍生物與腫瘤

在性激素、缺氧等應激條件的作用下，tRNA的反密碼子環(huán)特異性地剪接成tRNA半分子(tRNA halves，tiRNA)[14-15]。tRNA衍生片段(tRNA-derived RNA fragment，tRF)和tiRNA由成熟的tRNA或其前體tRNA在不同位點特異性剪切產生，它們是一類廣泛存在于原核生物和真核生物轉錄組中的非編碼小RNA分子；tRF主要有tRF-5、tRF-3和tRF-1三個亞類，分別來自成熟tRNA的D環(huán)至反密碼環(huán)莖區(qū)間切割至5′端、T環(huán)開始至3′端和前體tRNA的 3′端尾部，其長度為14～30個核苷酸；tiRNA主要有5′tiRNA和3′tiRNA兩個亞類，是在成熟tRNA反密碼子環(huán)處切割分別產生，其長度為29～50個核苷酸[15-16]。而另一類具有生物學功能的tRNA降解產物——tRNA來源的小tRNA(tRNA-derived small RNA，tsRNA)逐漸被熟知[17]。tRFs和tiRNAs在腫瘤、代謝疾病和神經系統(tǒng)疾病等重大疾病中具有重要的調控功能。在腫瘤細胞中，與應激有關的tRNA裂解作用可導致細胞凋亡失衡和促進腫瘤細胞增殖，前列腺癌細胞中與應激相關的tRFs和tiRNAs的表達量與前列腺癌細胞的增殖率呈正相關[18]。tRFs和tiRNAs作為基因表達的調節(jié)者，通過結合蛋白質影響信使RNA的穩(wěn)定性[19]；tRF與tiRNA可以作為父代表觀遺傳因子，改變子代基因轉錄級聯(lián)過程[20-21]。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，tiRNA和tRF與人類多種腫瘤密切相關，tiRNA中與腫瘤關系最密切的是5′tiRNA，5′tiRNA可以促進骨肉瘤細胞內應激顆粒的組裝[22]，而應激顆粒是一種細胞質核糖核蛋白，在應激誘導的轉移抑制、細胞修復及細胞生存相關蛋白轉移中起重要作用，故可推斷5′tiRNA可以幫助腫瘤細胞對抗應激條件下的不利生長環(huán)境。5′tiRNA 也是性激素依賴的產物，可以催化并通過細胞增殖，導致乳腺癌及前列腺癌等性激素相關腫瘤的發(fā)生[2,23]。而更具有小分子非編碼RNA特性的tRF，可以影響靶基因的轉錄水平，并且在人體內含量僅次于信使RNA，是科學家們公認的有望成為非侵襲性生物標志物的小分子物質[19]。目前通過高通量測序技術，已經在精子外泌體中發(fā)現(xiàn)了tRFs[24]。研究發(fā)現(xiàn)，tRFs和tiRNAs在體液中高度富集，有時甚至高于微RNA[25]。Dhahbi等[26]研究發(fā)現(xiàn)血清中存在大量的tiRNA復合物。因此，開展微創(chuàng)方法用于腫瘤患者體液中tRF和tiRNA的檢測具有一定的可行性。

研究表明，受原癌基因與抑癌基因的影響，腫瘤細胞中前體tRNA轉錄受到調控，而前體tRNAs的表達異?？赡軐е履[瘤中tRF和tiRNA的失調[27]。而tRF和tiRNA失調通過調控轉錄翻譯過程參與了癌細胞的增殖、轉移和侵襲。首先，tRNA衍生物是核糖體RNA和蛋白質生物合成的重要調控因子[28]。Kim等[17]發(fā)現(xiàn)，LeuCAG3 tsRNA(攜帶亮氨酸的反密碼子為CAG的tsRNA)通過結合RPS(ribosomal protein related genes)28和RPS15，促進其靶信使RNA翻譯，從而促進癌細胞增殖。研究表明，肝癌患者腫瘤中LeuCAG3 tsRNA的表達上調，而人為增加癌細胞中LeuCAG3 tsRNA的水平可以提高癌細胞的存活率，反之抑制LeuCAG3 tsRNA可誘導肝癌細胞凋亡，通過腹腔注射與LeuCAG3 tsRNA互補的反義寡核苷酸靶向抑制LeuCAG3 tsRNA表達，可導致腹腔肝轉移瘤縮小[3]。另一方面，在癌細胞中一些tRF通過與AGO(argonaute)蛋白質結合，發(fā)揮其作為miRNA的基因沉默作用[17]。以上研究解釋了tRNA衍生物在轉錄后機制調節(jié)基因的表達，為癌癥治療提供了新的機會。其次，tRF和tiRNA通過結合RNA結合蛋白調控基因表達。Castello等[29]發(fā)現(xiàn)的第一個RNA結合蛋白圖譜顯示，在生物世界中至少有300個RNA結合蛋白，其中大約一半由已知的癌癥或疾病突變編碼；Goodarzi等[30]發(fā)現(xiàn)，tRNAAsp、tRNAGlu、tRNATyr、tRNAGly等來源的tRFs與乳腺癌細胞中一些內源性原癌基因轉錄本競爭性與Y-盒結合蛋白結合。Y-盒結合蛋白是一種具有多種生物學功能的RNA結合蛋白，通過與一些內源性原癌基因轉錄本結合，導致癌細胞增殖，Y-盒結合蛋白-原癌基因轉錄復合物解離時，原癌基因轉錄的穩(wěn)定性受到干擾，此時，原癌基因的表達降低，進而抑制癌細胞的生長[31]。最后，tRF和tiRNA調節(jié)蛋白激酶活性。Shao等[32]發(fā)現(xiàn)，tRFLeu CAG在非小細胞肺癌中調控細胞增殖和細胞周期進展，當tRFLeu CAG的表達下調時，Aurora激酶A(aurora kinase A，AURKA)的表達被抑制。AURKA是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，在有絲分裂中起重要作用，它與中心體成熟和分離有關，調節(jié)主軸的裝配和穩(wěn)定性。既往研究表明，miR-137和miR-32直接與AURKA結合，影響非小細胞肺癌的進展[33-34]。tRFLeu CAG的過度表達增加了AURKA的活性，進而促進非小細胞肺癌細胞G0/G1期細胞周期的進展[32]。這意味著tRFLeu CAG可通過調節(jié)AURKA的表達調控細胞周期進展影響非小細胞肺癌的進展。

此外，tRNA衍生物還可以通過影響信使RNA的穩(wěn)定性、調節(jié)逆轉錄、抑制翻譯和調節(jié)核糖體生物發(fā)生來影響癌癥的發(fā)生、發(fā)展[35-36]。

3 tRNA修飾與腫瘤

在細胞內，直接由轉錄產生的tRNA前體并不能直接行使其功能，需要經過一系列的剪接和轉錄后修飾等加工過程才能形成具有生物學功能的成熟tRNA。tRNA是含有轉錄后修飾核苷酸數(shù)目和類型最多的非編碼小RNA[37]?；蚪M中1%～10%基因編碼的蛋白質參與tRNA 核苷酸修飾過程，遠多于編碼tRNA本身的基因數(shù)目[21]。tRNA核苷酸修飾是tRNA參與精準信號轉導和精確調節(jié)tRNA參與的轉錄調控及蛋白質翻譯的物質基礎，參與翻譯過程、信號轉導、細胞應激等多方面的生物功能，對維持細胞生長代謝有重要作用[38-42]。tRNA核苷酸修飾的缺失甚至導致細胞死亡和相關人類疾病。tRNA修飾與不同類型的癌癥(如皮膚癌、乳腺癌、膀胱癌)存在直接聯(lián)系(表1)。

表1 tRNA修飾與腫瘤

tRNA:轉運RNA

RNA甲基轉移酶Misu(RNA methyltransferase Misu，NSun2)是由原癌基因Myc的下游靶點Misu編碼的一種tRNA甲基轉移酶，與Myc誘導的細胞增殖和細胞周期提前有關，NSun2在正常組織中表達水平較低，但在一些人類和小鼠腫瘤細胞中表達豐富，如鱗狀細胞癌、結直腸癌和乳腺癌[38]。實驗證明，人為降低NSun2表達可以減少小鼠中人類鱗狀細胞癌異種移植物的生長[11]。

還有其他tRNA修飾酶與腫瘤相關。tRNA甲基轉移酶12是tRNAPhe位點37處參與wybutosine堿基(yW)形成的酶[43]。目前，測定體內tRNA甲基轉移酶2A(酵母菌Trm2p同源物)表達，可以協(xié)同乳房鉬靶檢查作為預測三苯氧胺治療后乳腺癌復發(fā)的預測工具[40]。氮雜胞苷是目前正在研發(fā)的一種用于表觀遺傳癌癥治療的藥物，其原理之一是通過抑制由DNA甲基轉移酶2催化的tRNAAsp的胞嘧啶甲基化抑制腫瘤細胞的發(fā)生、發(fā)展[44-45]。隨著對細胞代謝過程中tRNA修飾研究的深入，tRNA 核苷酸修飾參與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的生理過程日益清晰，為新型腫瘤標志物的產生及相關靶向治療藥物提供了新的思路。

4 tRNA氨?；c腫瘤

哺乳動物細胞含有一系列細胞質和線粒體的氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetases，ARSs)，它們負責細胞蛋白的合成、催化氨基酸與同源tRNA的高保真度連接。ARSs作為一種將信使RNA轉化為蛋白質的分子適配器，存在于最原始的原核生物中。底物氨基酸與其同源tRNA的連接過程分為兩個步驟：第一步是ARSs催化下的底物氨基酸活化，生成氨基酰-AMP-E，消耗1個ATP分子；第二步是將活化的氨基酸傳遞到tRNAs的受體端[1]。這種反應的保真度依賴于ARSs對底物氨基酸和tRNA的準確識別及活性校正，它能水解錯配的氨基酸，并替換與反密碼子相對應的氨基酸。

盡管一些ARSs表現(xiàn)出與腫痛相關的過表達[46-47]，但尚不清楚這種表達增加是由于癌細胞對蛋白質合成的需求增加還是ARSs本身就是引起細胞轉化的驅動因素。以甲硫氨酸-tRNA合成酶(methionyl-tRNA synthetase，MRS)為例，MRS在人結腸癌中的催化活性增加，目前已有研究發(fā)現(xiàn)MRS反應產物tRNAiMet的過度表達可導致原癌基因轉化[11]。MRS在惡性纖維組織細胞瘤、肉瘤、惡性膠質瘤和膠質母細胞瘤等不同類型的腫瘤中過表達[48-49]。這些腫瘤具有染色體12q13位點的擴增，其中編碼MRS基因與編碼重組人CCAAT增強子結合蛋白轉錄因子基因重疊，這種擴增可能導致MRS和內質網應激相關蛋白的過表達，這可能產生促進腫瘤進展的有利環(huán)境[50]。

色氨酰tRNA合成酶(tryptophanyl-tRNA synthetase，WRS)通過催化色氨酸與其對應的tRNA結合，增加細胞內色氨酰tRNA儲備，競爭性抑制吲哚胺2，3雙加氧酶介導的色氨酸消耗，與惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和預后密切相關[51]。吲哚胺2，3雙加氧酶是催化色氨酸沿犬尿氨酸途徑分解代謝的限速酶，其高表達在抑制T細胞免疫、誘導腫瘤免疫耐受中發(fā)揮重要的調節(jié)作用；另一方面，WRS具有抗血管生成的作用，可能在腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮作用[52]。越來越多證據表明，WRS的低表達水平與結腸癌、患者復發(fā)風險的增加及生存期的降低有關[6,53]。這可能與WRS參與腫瘤免疫耐受及抗血管作用相關，為抗腫瘤藥物的開發(fā)提供了新的切入點。

5 小 結

人類細胞中有49種同工tRNA，參與蛋白質合成的過程。這些非編碼小RNA分子具有復雜的生理功能，在腫瘤等疾病中發(fā)揮著重要的作用。tRNA衍生物可以通過影響核糖體RNA合成、結合RNA結合蛋白、調節(jié)蛋白激酶活性參與腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程；而一些tRNA修飾酶在腫瘤患者中過度表達，并開始用于預測復發(fā)風險及腫瘤靶向治療。ARSs的催化活性直接影響蛋白質合成的速度和準確性，其作為控制血管生成和免疫反應的細胞因子也可能在腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮作用。此外，某些特定tRNA還可以對基因進行調控。線粒體tRNA突變等也參與了腫瘤的發(fā)生?？傊?，tRNA與腫瘤關系十分密切，參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，可能成為腫瘤診斷的新標志物。