PIWI/piRNA在癌癥中的功能和機(jī)制

石碩，王晨，林海帆

①上?？萍即髮W(xué) 免疫化學(xué)研究所，上海 201210；②耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院 干細(xì)胞中心和細(xì)胞生物學(xué)系，紐黑文，康涅狄格州 06510，美國

1 PIWI/piRNA概述

PIWI蛋白是PAZ/PIWI結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)家族（PPD家族）的兩個亞家族之一，常與另一亞家族（Argonaute亞家族）統(tǒng)稱為Argonaute（Ago）蛋白。所有PPD家族蛋白都高度保守，它們包含一個相對可變的N端結(jié)構(gòu)域、位于中部的PAZ與MID結(jié)構(gòu)域及位于C端的PIWI結(jié)構(gòu)域。PAZ與MID結(jié)構(gòu)域一起結(jié)合一個小RNA[1-2]（圖1a和1b）[3]，而C端的PIWI結(jié)構(gòu)域類似于RNase H，有一些PPD蛋白的PIWI結(jié)構(gòu)域可以切割目標(biāo)RNA[4-6]。Ago亞家族蛋白在大多數(shù)細(xì)胞中廣泛存在，它們結(jié)合microRNAs （miRNAs）和小干擾RNA（siRNA）。這兩種RNA都是以依賴Dicer的方式由雙鏈RNA前體加工而成的長度為20～22個核苷酸的成熟小RNA[7]。相比之下，PIWI亞家族蛋白主要在生殖系中表達(dá)，盡管在大多數(shù)節(jié)肢動物中，PIWI蛋白也在體細(xì)胞系中表達(dá)[8-10]。PIWI蛋白結(jié)合一類特定的小RNA——piRNA（PIWI-interacting RNA），這類小RNA的長度一般在24～32個核苷酸，也主要在生殖系中表達(dá)[11-14]。

在大多數(shù)生物體中，piRNA是由長單鏈前體以非依賴Dicer方式加工而成的（圖1c），但線蟲除外。在線蟲中，piRNA （21 U-RNA）是由短單鏈前體（約26個核苷酸長度的加帽的轉(zhuǎn)錄本）以非依賴Dicer的方式加工而成的[15-16]（圖1d）[3]。長單鏈前體RNA是由基因組上稱為piRNA簇的位點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)錄并通過乒乓循環(huán)路徑加工而來的。乒乓循環(huán)路徑可通過不斷促進(jìn)前體產(chǎn)生，從而以轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的方式擴(kuò)增有重疊互補(bǔ)的piRNA。前體RNA通過與其結(jié)合的PIWI蛋白交替作用從而加速前體的生產(chǎn)[4,11-14,17]（圖1c）[3]。當(dāng)PIWI蛋白在起始piRNA的引導(dǎo)下切割互補(bǔ)的靶標(biāo)轉(zhuǎn)錄本，生成具有單磷酸化5'末端的前前體piRNA（prepre-piRNA）時，這一乒乓循環(huán)路徑就開始了。許多動物的起始piRNA是母源遺傳繼承來的。由PIWI蛋白和起始piRNA催化切割得到的前前體piRNA的5'端與起始piRNA的5'端序列互補(bǔ)，得到的前前體piRNA會結(jié)合到一個新的PIWI蛋白。這個PIWI蛋白會發(fā)揮其內(nèi)切酶的功能切割前前體piRNA，并進(jìn)一步在3'到5'外切酶的作用下得到應(yīng)答前體piRNA（responder pre-piRNA）。應(yīng)答前體piRNA再進(jìn)一步在3'端發(fā)生2'-O-甲基化修飾得到成熟的應(yīng)答piRNA。應(yīng)答piRNA的5'端序列與起始piRNA的5'端序列互補(bǔ)。這個應(yīng)答piRNA再作為新的起始piRNA，引導(dǎo)PIWI蛋白結(jié)合到與應(yīng)答piRNA序列互補(bǔ)的長前體轉(zhuǎn)錄本上，PIWI蛋白切割長前體轉(zhuǎn)錄本得到新的前前體piRNA。新的前前體piRNA與一個新的PIWI蛋白結(jié)合并切割前前體piRNA得到新的前體piRNA，新的前體piRNA在3'端發(fā)生外切酶修剪并被2'-O-甲基化修飾后得到新的成熟的piRNA。這個piRNA的序列與乒乓循環(huán)通路一開始時的起始piRNA序列一致，這樣完成了一輪乒乓循環(huán)可以進(jìn)行再一輪piRNA生產(chǎn)的乒乓循環(huán)[18-21]。單磷酸化5'端的前前體piRNA在被加工成應(yīng)答前體piRNA的同時，也會被PIWI蛋白和線粒體外膜上的PIWI結(jié)合蛋白一起分階段片段化，PIWI蛋白不斷上去切割又再上去切割，這樣得到一系列連續(xù)尾隨的piRNA前體（phased trailing pre-RNA）。這些尾隨的piRNA前體緊接著被3'端截短和2'-O-甲基化修飾，最終得到一系列多樣的尾隨的成熟piRNA[22-24]（圖1c）[3]。很重要的一點(diǎn)是，腺苷蛋氨酸依賴的甲基轉(zhuǎn)移酶會使得piRNA的3'端發(fā)生2'-O-甲基化的修飾，這一修飾是piRNA這種小RNA的典型特征[17,25-29]。

圖1 PIWI-piRNA通路概述[3]。（a）果蠅Piwi和蠶Siwi的結(jié)構(gòu)[2,22,79]。Piwi和Siwi高度保守，Piwi和Siwi的氨基酸序列都包含ID、L0、N、L1、PAZ、L2、MID和PIWI這8個區(qū)域，其中4個結(jié)構(gòu)域為兩者皆有。這4個結(jié)構(gòu)域包括N、PAZ、MID和PIWI結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域之間被L0、L1、L2序列間隔開。核定位信號（NLS）在PIWI的N端結(jié)構(gòu)域中，使PIWI核定位成為可能。Siwi不含核定位序列NLS，是一種細(xì)胞質(zhì)蛋白。（b）Matsumoto等人解析了第一個Piwi蛋白——Siwi的3D結(jié)構(gòu)[2]。Siwi分為兩葉：L0、N、L1、PAZ和L2結(jié)構(gòu)域構(gòu)成N-PAZ葉，而L0、L2、MID和PIWI結(jié)構(gòu)域構(gòu)成MID-PIWI葉。這兩葉產(chǎn)生一個核酸結(jié)合通道。（c）果蠅中piRNA的生成。piRNA前體由piRNA簇轉(zhuǎn)錄并從細(xì)胞核輸出。5'端單磷酸化的piRNA前體被載著起始piRNA的PIWI蛋白所結(jié)合，加工成pre-piRNA和pre-pre-piRNA。pre-pre-piRNA由Zucchini內(nèi)切酶（zucc）進(jìn)行分階段切割[22-24]，而pre-piRNA由Nibbler蛋白進(jìn)行修剪[80-81]，并經(jīng)Hen1甲基轉(zhuǎn)移酶對piRNA的3'末端進(jìn)行2'-O-甲基化的修飾得到成熟的piRNA[25-28]。經(jīng)過2'-O-甲基化修飾后，成熟的piRNA-Piwi復(fù)合物進(jìn)一步啟動由另外兩個Piwi蛋白Ago3和Aub促進(jìn)的乒乓循環(huán)式piRNA生成途徑[17,29]。（d）線蟲piRNA的生成途徑[15]。線蟲的piRNA前體是長度為25～27 nt的短RNA，經(jīng)過處理的piRNA前體也被相應(yīng)的核酸酶修剪和2'-O-甲基化修飾，生成成熟的piRNA（此圖來自文獻(xiàn)[3]）

2 PIWI/piRNA在生殖系中的多面功能

PIWI蛋白最為人熟知和經(jīng)典的功能就是與piRNA一起參與轉(zhuǎn)座子沉默的調(diào)控和生殖發(fā)育的調(diào)控。在這里我們將簡單概述PIWI對轉(zhuǎn)座子沉默的調(diào)控。轉(zhuǎn)座子沉默一般通過在轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平上抑制逆轉(zhuǎn)座子RNA的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)[30]。轉(zhuǎn)錄水平上的轉(zhuǎn)座子沉默一般由核內(nèi)PIWI蛋白來執(zhí)行，例如果蠅的PIWI和小鼠的MIWI2（即PIWIL4）。轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控轉(zhuǎn)座子沉默則一般由細(xì)胞質(zhì)中的PIWI蛋白來執(zhí)行，例如果蠅中的Aubergine （Aub）和Ago3或小鼠中的MIWI（即PIWIL1）和MILI（即PIWIL2）。已有研究提出了幾種關(guān)于轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控轉(zhuǎn)座子沉默的模式，但所有這些調(diào)控模式都有兩個共同點(diǎn)：一是轉(zhuǎn)錄抑制需要PIWI-piRNA復(fù)合物與靶點(diǎn)的新生RNA特異性結(jié)合，以招募表觀遺傳/染色質(zhì)因子，但不需要PIWI的內(nèi)切酶活性[31-32]；二是轉(zhuǎn)錄抑制需通過修改染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生。轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控的轉(zhuǎn)座子沉默則發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，PIWI-piRNA復(fù)合物結(jié)合到與piRNA序列互補(bǔ)的轉(zhuǎn)座子RNA上，并通過PIWI蛋白的內(nèi)切酶活性切割靶向的RNA。這種轉(zhuǎn)座子沉默同時實(shí)現(xiàn)了piRNA的生成。

除了研究比較清楚的轉(zhuǎn)座子沉默的調(diào)控外，近期有不少出色的研究發(fā)現(xiàn)PIWI蛋白還擁有多方面的功能。例如，PIWI-piRNA通路可參與調(diào)控生殖系中其他主要類型的RNA的表達(dá)，如信使RNA（mRNA）和長鏈非編碼RNA（lncRNA）。此外，PIWI-piRNA通路還調(diào)控假基因、亞端粒以及中心粒周圍轉(zhuǎn)錄本的表達(dá)。PIWI-piRNA對mRNA的調(diào)控是通過轉(zhuǎn)座子來實(shí)現(xiàn)的。已知27.7%的小鼠和28.5%的人類mRNA中包含至少一個逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子片段。這些片段通常是SINE（short interspersed nuclear element），主要在mRNA的3'UTR中[33]，而其他少數(shù)片段則在5'UTR中，更少的在蛋白質(zhì)編碼序列CDS（protein-coding sequences）中[34]。最近的研究表明，mRNA中的轉(zhuǎn)座子序列是轉(zhuǎn)座子衍生的piRNA靶向的位點(diǎn)，PIWI-piRNA可通過這些位點(diǎn)結(jié)合并降解mRNA。潛藏在mRNA中的轉(zhuǎn)座子序列就像潛藏在特洛伊城中的特洛伊木馬一樣，最終導(dǎo)致mRNA降解[3,35]（圖2a）。

以piRNA為靶點(diǎn)的mRNA的切割大多發(fā)生在距離靶向piRNA的5'端的第10和第11個核苷酸之間[13,68]。深入分析Tdrd1信使RNA的3'UTR上piRNA靶向的切割位點(diǎn)會發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)piRNA反義對齊mRNA序列，并且mRNA上的切割位點(diǎn)距離piRNA的5'端有10個核苷酸的距離。但也有一些切割位點(diǎn)在距離piRNA的5'端11～20個核苷酸處[35]。在線蟲和小鼠中，piRNA與目標(biāo)RNA的結(jié)合依賴于序列，但并不具有完全的序列特異性，2～8位核苷酸為至關(guān)重要的種子序列，14～22位核苷酸對piRNA的靶向也很重要[35-38]（圖2b）。這種識別方式不禁讓人想起miRNA的種子序列對靶點(diǎn)的識別。不僅piRNA調(diào)控mRNA的表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)mRNA有時候也可以是產(chǎn)生piRNA的來源。比如在果蠅的卵巢中，整合在活躍轉(zhuǎn)錄基因的3'UTR中的轉(zhuǎn)座子可誘導(dǎo)產(chǎn)生piRNA，而產(chǎn)生出來的piRNA又進(jìn)而抑制相應(yīng)基因的表達(dá)[39-40]。除了比較常見的3'UTR是piRNA經(jīng)常靶向mRNA的區(qū)域之外，也有少量文獻(xiàn)報道m(xù)RNA的蛋白編碼序列CDS也可被piRNA靶向，從而降解被靶向的mRNA。例如，在果蠅胚胎中，Aub以依賴piRNA的方式直接與母源mRNA的CDS和3'UTR結(jié)合，從而促進(jìn)這些母源的mRNA的降解[41-42]。PIWI-piRNA對mRNA的降解除了利用PIWI自身內(nèi)切酶活性直接參與的方式外，也有研究發(fā)現(xiàn)一些別的蛋白復(fù)合體也參與轉(zhuǎn)座子衍生的piRNA所介導(dǎo)的mRNA的降解。這些蛋白復(fù)合體包括果蠅生殖系中的mRNA去帽復(fù)合體（包括DCP1/2、Me31B和PCM蛋白）[43]，果蠅胚胎中的Armi、Spn-E、Smg和CCR4這些參與去腺苷化（deadenylation）的蛋白組成的復(fù)合體[42]，以及小鼠精母細(xì)胞中的CCR4-NOT 去腺苷化酶復(fù)合體[36]。這些都表明piRNA介導(dǎo)的mRNA降解不僅可以通過MIWI對靶mRNA進(jìn)行切割，還可以通過對mRNA的同時去腺苷化并可能去帽（decap）來實(shí)現(xiàn)。除了對mRNA的降解，PIWI-piRNA復(fù)合體還可以對靶向的mRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄激活[44-48]以及調(diào)控靶mRNA在亞細(xì)胞中的定位[49]。

圖2 piRNA通過轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)mRNA調(diào)控[3]。（a）piRNA前體是由包含逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列（綠色框）的piRNA簇轉(zhuǎn)錄而來。與Piwi蛋白相結(jié)合的成熟的piRNA（綠色短線）將Piwi-piRNA復(fù)合物引導(dǎo)到互補(bǔ)轉(zhuǎn)座子序列，該序列主要位于特定的mRNA的3'UTR，偶爾也在mRNA的5'UTR或CDS區(qū)域[33-35]。被靶向的mRNA通過PIWI剪切機(jī)制和其他調(diào)控機(jī)制來降解。另外，piRNA由3'UTR中包含轉(zhuǎn)座子序列（橙色框）的mRNA生成。這些piRNA（橙色短線）反過來會靶向相應(yīng)的mRNA并介導(dǎo)其降解[39-40,82]。（b）以線蟲研究為例的piRNA靶向RNA的配對規(guī)則。其他生物似乎也遵循類似的規(guī)律（此圖來自文獻(xiàn)[3]）

PIWI-piRNA通路還調(diào)控長鏈非編碼RNA。近期研究表明，lncRNA中的轉(zhuǎn)座子序列是轉(zhuǎn)座子衍生的piRNA的靶向位點(diǎn)，這些piRNA識別出這些靶向位點(diǎn)從而對lncRNA進(jìn)行降解。大概而言，PIWI-piRNA復(fù)合體切割靶標(biāo)lncRNA的方式與切割mRNA的方式類似。PIWI-piRNA通路還參與假基因?qū)RNA的調(diào)控。PIWI蛋白通過假基因衍生的piRNA調(diào)控與假基因同源的mRNA的表達(dá)[34]。衛(wèi)星重復(fù)序列衍生的piRNA可介導(dǎo)PIWI-piRNA通路負(fù)向調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性，并且這可能是進(jìn)化上非常保守的一種轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制。引人注意的是，piRNA甚至參與了調(diào)節(jié)端粒和著絲粒。端粒和著絲粒的piRNA在多種生物中已有報道。有研究表明piRNA序列可匹配到果蠅基因組的亞端粒區(qū)域。從果蠅到哺乳動物，亞端粒區(qū)的序列和結(jié)構(gòu)都是高度保守的。亞端粒有許多重要的生物功能，比如抑制和調(diào)節(jié)鄰近常染色質(zhì)基因的表達(dá)等。從亞端粒衍生出的piRNA對端粒的正常功能非常重要。除了端粒區(qū)的重復(fù)序列可衍生出piRNA外，在果蠅中，著絲粒外周的衛(wèi)星重復(fù)序列也可產(chǎn)生piRNA，并對著絲粒的功能至關(guān)重要。比如一項最新的在小鼠中的研究表明，MIWI可通過piRNA引導(dǎo)剪切多余的主要和次要衛(wèi)星RNA來阻止減數(shù)分裂過程中的非整倍體產(chǎn)生[50]。這一調(diào)控確保了同源著絲點(diǎn)對的正常組裝。如果將這些被MIWI-piRNA剪去的多余的衛(wèi)星RNA在野生型減數(shù)分裂細(xì)胞中過表達(dá)也會導(dǎo)致非整倍體。這些發(fā)現(xiàn)都表明了PIWI蛋白和衛(wèi)星RNA在減數(shù)分裂期間染色體分離中的直接作用。

3 PIWI與piRNA在腫瘤中的表達(dá)

充分的研究表明PIWI-piRNA在生殖系中具有非常重要的作用，并展現(xiàn)出“多面手”的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控能力。2002年，PIWI蛋白（HIWI：人類PIWI蛋白之一）第一次被發(fā)現(xiàn)在人的睪丸精原細(xì)胞瘤中異常高表達(dá)[51]。至此之后，PIWI的功能研究繼發(fā)現(xiàn)其在生殖系中強(qiáng)大的功能之后又打開了一扇新的大門。近年來，大量的研究發(fā)現(xiàn)在多種不同的腫瘤中PIWI蛋白表現(xiàn)出異常表達(dá)。一直以來精準(zhǔn)醫(yī)療的目標(biāo)是在不影響正常組織的情況下治愈癌癥。人類的PIWI蛋白通常只在生殖細(xì)胞中表達(dá)，用于生育，而在正常體細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，因此，在不同類型的癌癥中異常表達(dá)的PIWI蛋白為精準(zhǔn)醫(yī)療提供了一個很有前途的機(jī)會。抑制PIWI的表達(dá)有望阻止癌癥但不影響正常的身體功能。關(guān)于PIWI在腫瘤中的表達(dá)已有不少綜述，這里我們將簡單概述PIWI蛋白在不同腫瘤中的表達(dá)情況。

人類的PIWI蛋白家族共有4個成員，分別是PIWIL1（HIWI）、PIWIL2（HILI）、PIWIL3和PIWIL4（HIWI2）。人類PIWI蛋白之一的PIWIL1（HIWI）被報道在胃癌、結(jié)腸癌、食管癌、軟肉瘤、宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌、肝癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、卵巢癌、膀胱癌和腎細(xì)胞癌等多種不同類型的癌癥中高度表達(dá)[52]。在不同癌癥中，比如在結(jié)腸癌、胃癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、乳腺癌和腎細(xì)胞癌中，PIWIL1的表達(dá)與病理分期、腫瘤分化程度和腫瘤表型的進(jìn)展程度密切相關(guān)。在食管癌、結(jié)腸癌、胃癌、宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌和腎細(xì)胞癌中晚期病人腫瘤樣本中的PIWIL1的表達(dá)要顯著高于早期的腫瘤樣本。此外，在胃癌、結(jié)腸癌、肝癌、乳腺癌、膀胱癌、子宮內(nèi)膜癌和腎細(xì)胞癌中有報道PIWIL1的異常表達(dá)與淋巴轉(zhuǎn)移程度呈正相關(guān)[10,52-53]。這些發(fā)現(xiàn)提示PIWIL1高表達(dá)有可能成為多種惡性腫瘤進(jìn)展程度加劇的標(biāo)志物。KMplotter數(shù)據(jù)庫的Kaplan-Meier分析也展現(xiàn)出PIWIL1的高表達(dá)與乳腺癌、腎細(xì)胞癌、直腸腺癌、肉瘤患者以及低分化的胃癌患者的總生存惡化顯著相關(guān)，提示腫瘤組織中PIWIL1異常表達(dá)的鑒定可能有助于癌癥診斷和預(yù)后評估。PIWIL2（HILI）被報道在神經(jīng)膠質(zhì)瘤、宮頸癌、非小細(xì)胞肺癌、腎細(xì)胞癌、卵巢癌[54]和精原細(xì)胞瘤[55]等多種不同類型的癌癥中高度表達(dá)。其中PIWIL2的高表達(dá)與神經(jīng)膠質(zhì)瘤和腎細(xì)胞癌的預(yù)后和生存密切相關(guān)。PIWIL3則是在癌癥中被報道最少的PIWI蛋白。PIWIL3在胰腺癌[56]、胃癌和多發(fā)性骨髓瘤中高表達(dá)，但也有一篇文章報道PIWIL3在神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織中低水平表達(dá)，并與膠質(zhì)瘤的病理分級呈負(fù)相關(guān)。PIWIL4（HIWI2）被報道在胰腺癌[56]、三陰性乳腺癌[57]、宮頸癌[58]中高表達(dá)，并且在肝癌中被報道PIWIL4和PIWIL2共表達(dá)的病人預(yù)后更差[59]。雖然PIWI蛋白在癌癥中的表達(dá)被長時間廣泛研究且研究的結(jié)果令我們歡欣鼓舞，但在一片喝彩的樂觀中我們更應(yīng)該保持謹(jǐn)慎和嚴(yán)謹(jǐn)。不少PIWI在癌癥中表達(dá)的檢測都是基于免疫組化方法。免疫組化的成功與否最重要一點(diǎn)就是取決于抗體的特異性，然而幾乎沒有文章嚴(yán)格地論證抗體特異性的好壞，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)年栃詫φ眨ㄐ∈蟛G丸組織）和陰性對照（PIWI敲除細(xì)胞）來考察抗體的特異性。事實(shí)上很多被廣泛使用的商品化抗體，在產(chǎn)品說明書中展示的蛋白免疫印跡圖中顯示的抗體特異性并不好。這就讓我們在使用它們時更需要小心論證得出結(jié)論。還有，PIWI在癌癥中的高表達(dá)的結(jié)論是基于qPCR結(jié)果，雖然看到qPCR上有相對升高，但是否真的有完整的能被翻譯的PIWI的mRNA高表達(dá)或者有PIWI蛋白被高表達(dá)還需要進(jìn)一步考證。

除了PIWI蛋白，piRNA也被大量研究和報道其表達(dá)和腫瘤的相關(guān)性。比如piR-36712、piR-021285和piR-DQ598677這些序列被報道在乳腺癌中高表達(dá)，而piR-932被報道在乳腺癌中低表達(dá)[60-63]。piR-34871、piR-651和piR-52200被報道在肺癌中高表達(dá)，而piR-35127、piR-55490和piR-46545被報道在肺癌中低表達(dá)[64-67]。piRFR222326、piR-FR290353、piR-FR064000和piR-FR387750被報道在胃癌中高表達(dá)，而piR-823被報道在胃癌中低表達(dá)[68-70]。piR-1245、piR-54265、piR-823和piR-015551被報道在結(jié)腸癌中高表達(dá)[71-73]。除此之外，piRNA還在肝癌、惡性膠質(zhì)瘤、惡性血液瘤、腎癌、纖維肉瘤、卵巢癌和胰腺等多種癌癥中異常高或低表達(dá)[53,74]。雖然這么多不同的piRNA序列在不同的癌癥中被檢查到表達(dá)，有的甚至有功能方面的報道，但是這些小RNA序列幾乎都是單一的一條一條地被報道表達(dá)，沒有群體檢測這些癌癥中piRNA的表達(dá)情況，也很少有文章詳細(xì)地考察生成這些piRNA所必需的蛋白機(jī)器的表達(dá)情況，如PIWI、TDRD、MEAL、MYB和DDX等經(jīng)典的piRNA生成通路中的蛋白的表達(dá)。此外，在不少腫瘤中報道過的piRNA序列和tRNA來源的小RNA（tRF）的序列非常相似，如有文章回顧了大量已發(fā)布的數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)中的各種癌細(xì)胞和組織中的小RNA測序，發(fā)現(xiàn)精子中tRNA （tRNAGly或tRNA-Glu）衍生出的tRNA小片段和不少已經(jīng)注釋的piRNA的序列幾乎一致[75]，所以那些被大量報道的體細(xì)胞腫瘤中的piRNA的可信度和功能有待進(jìn)一步好好考證。

4 PIWI與piRNA在腫瘤中的功能

PIWI蛋白在腫瘤中的功能也在多種腫瘤中有過描述，并有報道提出了一些相應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。PIWI被報道過有促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期運(yùn)行、細(xì)胞遷移、小鼠體內(nèi)成瘤和體內(nèi)轉(zhuǎn)移等促癌的生物學(xué)功能，在調(diào)控機(jī)制方面涉及PIWI的經(jīng)典功能，主要是表觀遺傳甲基化調(diào)控以及上調(diào)一些已知的促癌基因或抑制一些抑癌基因的表達(dá)[53,76]。雖然已有的文獻(xiàn)向我們展現(xiàn)了PIWI蛋白家族在癌癥中強(qiáng)大而多面的促癌生物學(xué)功能，但PIWI在癌癥表觀遺傳方面的調(diào)控的研究并沒有解釋PIWI是如何在癌細(xì)胞中發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控的，是否如生殖系一樣需要piRNA的介導(dǎo)，轉(zhuǎn)座子的情況是怎么樣的也未考察，主要在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)分布的PIWIL1蛋白是否也在細(xì)胞核中表達(dá)，以及如何在細(xì)胞核中發(fā)揮功能的，這些問題都沒有很好地闡明。已有的研究大多并沒有確定PIWI是間接還是直接調(diào)控了PIWI下游的促癌基因和抑癌基因的表達(dá)，或這其中的調(diào)節(jié)是否有piRNA的介導(dǎo)?？偠灾?，大多關(guān)于PIWI功能和機(jī)制的研究論述都未提及piRNA，并沒有把PIWI-piRNA作為一個整體去考察，而更多的是將兩者割裂開來分別論述其各自的功能，沒有明確回答PIWI是通過依賴piRNA還是非依賴piRNA的調(diào)控方式來實(shí)現(xiàn)這些生物學(xué)功能的。直到近期，不約而同地，兩個實(shí)驗室分別在胰腺癌和胃癌中明確了piRNA幾乎不表達(dá)以及PIWI蛋白的非依賴于piRNA的促癌功能。劉默芳實(shí)驗室[77]發(fā)現(xiàn)PIWIL1在沒有piRNA負(fù)載的情況下，作為APC/C復(fù)合物的共激活物，靶向細(xì)胞黏附蛋白Pinin進(jìn)行降解，部分解釋了PIWIL1作為促癌基因促進(jìn)胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）轉(zhuǎn)移的作用，并提出了不同于生殖系精子細(xì)胞中的PIWI調(diào)控機(jī)制。在晚期精子細(xì)胞中，PIWI蛋白被E3復(fù)合體APC/C泛素化和降解，并發(fā)現(xiàn)這種PIWI-piRNA機(jī)制的適當(dāng)去除對精子成熟至關(guān)重要。在生殖系外的胰腺癌細(xì)胞中，PIWIL1的作用從一個底物轉(zhuǎn)變?yōu)锳PC/C復(fù)合物的共激活物，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞-細(xì)胞黏附蛋白Pinin的蛋白水解泛素化，并促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移。林海帆實(shí)驗室[78]發(fā)現(xiàn)在PIWIL1高表達(dá)的胃癌細(xì)胞中幾乎檢測不到piRNA的表達(dá)，但在此情況下PIWIL1仍可以發(fā)揮促進(jìn)癌細(xì)胞生長、周期運(yùn)行、細(xì)胞遷移、癌細(xì)胞成瘤和轉(zhuǎn)移等促癌的生物學(xué)功能。在胃癌細(xì)胞中，PIWIL1很可能通過與UPF1蛋白相結(jié)合協(xié)同無義mRNA降解通路（NMD）負(fù)向調(diào)控一些PIWIL1直接結(jié)合的抑癌基因的mRNA的表達(dá)，從而部分解釋了PIWIL1促進(jìn)胃癌細(xì)胞遷移的促癌功能（圖3）。該工作從多角度論證了胃癌細(xì)胞中是否有piRNA的表達(dá)，而且通過結(jié)合piRNA能力缺失的PIWIL1突變體在PIWIL1敲除細(xì)胞中的一系列回補(bǔ)實(shí)驗，有力地闡明PIWIL1并不依賴piRNA來調(diào)控其下游的促癌和抑癌的靶基因的表達(dá)以及調(diào)控細(xì)胞周期和細(xì)胞遷移的運(yùn)行。在沒有piRNA的胃癌細(xì)胞中，PIWIL1卻依然可以直接結(jié)合一些mRNA、lncRNA和假基因轉(zhuǎn)錄本并對它們的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，這就非常耐人尋味了。同時，該工作也是第一次將PIWI通路和細(xì)胞中最重要的RNA調(diào)控通路之一的NMD通路進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，為其他PIWI蛋白在癌癥中的調(diào)控，也為NMD通路在癌癥中的調(diào)控機(jī)制提供了新的思路?？偠灾?，近期的這兩個工作不約而同地指出了PIWI蛋白不依賴piRNA的調(diào)控方式和生物學(xué)功能，給一直以來平靜的PIWI-piRNA的“湖面”投入一塊石子，掀起了一陣波瀾。

圖3 PIWIL1通過不依賴piRNA的調(diào)控方式調(diào)節(jié)胃癌細(xì)胞中mRNA的周轉(zhuǎn)（右），與經(jīng)典的PIWIL1在生殖系細(xì)胞質(zhì)中的作用機(jī)制相反，在生殖系細(xì)胞質(zhì)中PIWIL1的靶向作用是由與mRNA序列互補(bǔ)的piRNA引導(dǎo)的（此圖來自文獻(xiàn)[76]）

piRNA在多種腫瘤中的功能也已被提出。piRNA被報道過有調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期運(yùn)行、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞遷移和細(xì)胞浸潤等重要的生物功能。比如在肺癌細(xì)胞中piRNA可通過p-ERM、caspase-3、Akt/mTOR等去調(diào)控癌細(xì)胞的生長、凋亡、遷移和浸潤。在結(jié)腸癌細(xì)胞中，piRNA通過HSF1、BTG1和FAS去調(diào)控癌細(xì)胞的生長、凋亡和細(xì)胞周期運(yùn)行。在肝癌細(xì)胞中，piRNA可通過靶向p-AKT和VEGF通路去調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的生長和浸潤以及小鼠體內(nèi)成瘤和體內(nèi)轉(zhuǎn)移等促癌的生物學(xué)功能。正如之前那些關(guān)于PIWI在癌癥中的研究一樣，這些piRNA在腫瘤中的功能和機(jī)制的研究也多是把piRNA就簡單地當(dāng)成一條小RNA來研究，而不把PIWI和piRNA綜合在一起來考慮。那些研究piRNA的腫瘤細(xì)胞有不少在TCGA數(shù)據(jù)庫中可以看到，它們本身PIWI的表達(dá)就很低，而且這些被研究的piRNA也沒有被證明是真的能結(jié)合PIWI，所以很難說這是真的piRNA還是被錯誤注釋的別的小RNA。在探究piRNA如何通過下游靶基因發(fā)揮其癌癥中的生物學(xué)功能時，也很少有研究通過突變piRNA對靶基因的識別序列或是突變PIWI對piRNA的結(jié)合序列來論證，的確是piRNA直接參與了這些下游靶基因的調(diào)控從而發(fā)揮生物學(xué)功能。

5 總結(jié)和展望

癌癥的靶向治療一直備受關(guān)注，尋找到一個好的特異性靶點(diǎn)也一直是大家努力的方向。正因為如此，才使得PIWI，這個生殖系中的“明星分子”成為腫瘤研究的新星。在生殖系中，PIWI向我們展示了它復(fù)雜多面的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控能力和進(jìn)化保守的不可或缺的生物學(xué)功能。在癌癥中，PIWI向我們展示了它在癌組織中特異性表達(dá)而在正常組織中幾乎不表達(dá)的令人振奮的特點(diǎn)，并且隨著近年來的不懈研究，PIWI在癌癥中的調(diào)控機(jī)制也越來越清晰，特別是關(guān)于非piRNA依賴的PIWI的功能和機(jī)制的研究給人意外的驚喜，打開了我們認(rèn)識PIWI在生殖系外體細(xì)胞系統(tǒng)中的功能和機(jī)制的新大門。我們需要進(jìn)一步深入研究PIWI如何通過不依賴piRNA的方式去調(diào)控和發(fā)揮功能；我們也需要進(jìn)一步探究是否有新的、不同于傳統(tǒng)意義的piRNA的小RNA參與到PIWI在癌癥中的調(diào)控和功能中；或是有新的PIWI功能拍檔蛋白參與到PIWI的調(diào)控和功能中去。這些對PIWI在癌癥中功能和機(jī)制的不斷深入的研究最終將為PIWI在癌癥精準(zhǔn)治療中的運(yùn)用提供扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并為未來的癌癥治療帶去希望。