piRNA在結直腸癌中的研究進展

張 偉 溫珍平

1 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學，內(nèi)蒙古呼和浩特市 010059； 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院腫瘤內(nèi)科

結直腸癌在全球發(fā)病率和死亡率都很高，嚴重威脅著人類的生命健康,在我國結直腸癌是臨床常見的消化道惡性腫瘤，發(fā)病率呈上升趨勢，患者初診時多處于進展期[1]，因此，亟待尋求適宜結直腸癌早期診斷的標志物。piRNA于多種人類組織中以組織特異性的方式表達，在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)節(jié)關鍵的信號通路，已經(jīng)有研究證明piRNA與多種消化道腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關，并在這些腫瘤類型中發(fā)揮著不同的作用，包括促進和抑制腫瘤。 piRNA是一類小非編碼RNA，可與PIWI蛋白結合從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄沉默過程、修飾異染色質(zhì)和維持生殖系和干細胞功能等[2]。此外，腫瘤中piRNA的潛在機制也是多種多樣的，包括表觀遺傳調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控和翻譯后調(diào)控。本文闡述piRNA相關作用機制，尤其是piRNA在結直腸癌中的作用及機制的最新研究進展，為結直腸癌的診斷治療提供參考依據(jù)。

1 piRNA簡介

在人類基因組中很少的基因(約2%)參與編碼蛋白質(zhì), 而其余近98%的基因不可編碼蛋白質(zhì)[3]。所以根據(jù)其是否可編碼蛋白質(zhì)，RNA被分成編碼 RNA和非編碼RNA兩大類。非編碼RNA(non-coding RNA, ncRNA)是基因產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本，直接起到結構、催化或調(diào)控RNA的作用，其占轉(zhuǎn)錄組90%以上[4]，根據(jù)生物學功能分為調(diào)控性非編碼RNA和管家非編碼RNA。前者包括微小RNA(microRNA)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)、小干擾RNA(siRNA)和與PIWI蛋白相互作用的piRNA；后者包括轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)、核糖體RNA(rRNA)等。piRNA主要在生殖細胞表達，是在性腺中觸發(fā)RNA沉默的一類小非編碼RNA，piRNA的5，端首位常為單磷酸的尿嘧啶核糖核酸，3’末端被甲基化修飾，通常長23～30nt，與PIWI亞家族的生殖系特異性Argonaute蛋白形成piRNA沉默復合物[5-6]。

真核生物的Argonaute蛋白在進化過程中漸演變成三種蛋白質(zhì)亞家族：ago蛋白、wago蛋白和PIWI蛋白，前兩者主要參與由siRNA和miRNA引起的轉(zhuǎn)錄后基因沉默；PIWI蛋白主要與piRNA相互作用，在生殖細胞的轉(zhuǎn)座沉默過程中通過轉(zhuǎn)錄后基因沉默和轉(zhuǎn)錄基因沉默發(fā)揮重要功能[7-8]。在PIWI蛋白含有由paz和PIWI組成的結構域，當piRNA與PIWI蛋白結合時，paz優(yōu)先結合piRNA中間體和5’尿嘧啶，piRNA通過3’端可被核糖核酸酶切割成熟，隨后由Hen1甲基化而產(chǎn)生成熟的piRNA-PIWI復合體，從而影響轉(zhuǎn)座子沉默、精子發(fā)生、基因組重排、表觀遺傳調(diào)控、蛋白質(zhì)調(diào)控和生殖細胞維持[9]。

piRNA根據(jù)其來源，也可分為3類：轉(zhuǎn)座子來源的piRNA、mRNA來源的piRNA和lncRNA來源的piRNA[10]。轉(zhuǎn)座子派生的piRNA是從兩條基因組鏈上轉(zhuǎn)錄而來，同時產(chǎn)生正義和反義的piRNA；mRNA派生的piRNA經(jīng)過加工，通常來自3’非翻譯區(qū)；lncRNA派生的piRNA來自整個轉(zhuǎn)錄本。自piRNA被發(fā)現(xiàn)以來，已有了長足進展，但人們對piRNA生物學的許多方面仍然知之甚少，可能歸于兩個主要原因：第一，piRNA的生物發(fā)生和沉默機制較其他的小RNA途徑(如miRNA和siRNA)更復雜；第二，piRNA系統(tǒng)對性腺組織的限制長期以來阻礙了體外系統(tǒng)分析[11]。根據(jù)目前研究，產(chǎn)生成熟的piRNA主要靠兩種機制：初級合成機制和‘乒乓’擴增機制。依據(jù)生物發(fā)生途徑，piRNA可以分為初級piRNA和次級piRNA。初級piRNA的生物發(fā)生必須生成轉(zhuǎn)錄本，然后產(chǎn)生piRNA分子，并將其輸出到細胞質(zhì)中的加工位點。轉(zhuǎn)錄物被裂解成piRNA中間體，然后被加載到PIWI蛋白中，隨后被修剪和甲基化以產(chǎn)生成熟的piRNA-PIWI復合物。初級piRNA和PIWI在細胞質(zhì)中由piRNA引導啟動靶切割，切斷它們的目標轉(zhuǎn)錄本，被切割的轉(zhuǎn)錄本就被處理成次級piRNA。這種目標降解和piRNA擴增反應稱為“乒乓循環(huán)”。實際上到目前為止，piRNA的功能仍不十分清楚。

2 piRNA與腫瘤

現(xiàn)有研究已證明piRNA在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平的生理和病理過程中發(fā)揮著重要作用，越來越多的證據(jù)也表明，piRNA與腫瘤細胞的惡性表型和臨床分期密切相關。研究發(fā)現(xiàn)piRNA可于腫瘤組織中異常表達，如piR-651在非小細胞肺癌高表達，通過誘導cyclinD1和CDK4的表達來調(diào)節(jié)細胞增殖，從而促進腫瘤轉(zhuǎn)移[12]；piR-823在多發(fā)性骨髓瘤患者中表達上調(diào)，其過表達與多發(fā)性骨髓瘤的臨床分期呈正相關，抑制piR-823使得整體DNA甲基化減弱，導致甲基化沉默的p16INK4A抑癌基因被重新激活[13]；腫瘤中不只表達一類piRNA，各類piRNA在不同腫瘤中表達類型、水平不一，如胃癌中piR-32105、piR-58099和piR-59056表達增加，piR-823表達降低；肺癌中piR-55490表達下調(diào)，piR-651表達上調(diào)；在腎癌細胞中piR-43607、piR-32051和piR-39894的表達會上調(diào)[10]；piR-651在胃癌、肺癌、間皮細胞、乳腺癌細胞、肝癌細胞和宮頸癌細胞中表達上調(diào)，其水平與胃癌淋巴結轉(zhuǎn)移(TNM)分期相關，piR-651抑制劑能抑制胃癌細胞生長，使其阻滯于G2/M期，是癌癥診斷的潛在標記物[14]；乳腺癌中piR-4987高表達與淋巴結轉(zhuǎn)移有關[15]，表明piRNA在腫瘤細胞增殖、轉(zhuǎn)移甚至治療中起重要作用。此外，piRNA為26～32nt的短RNA片段，意味著piRNA不容易被降解，也意味著piRNA可穿過細胞膜，可能在體液中易被分離獲得[16]。這些特征使得piRNA可以在患者樣本中被檢測到，因此可能成為腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中潛在的診斷和預后生物標志物。

3 piRNA 與結直腸癌

piRNA在結直腸癌中的生物學功能和相關的臨床研究仍處于起步階段。但現(xiàn)有的諸多證據(jù)表明piRNA在結直腸癌組織的研究極富潛力。結直腸癌組織中piRNA異常表達，但作用不同，其中一些piRNA，如piR-823、piR-54265、piR-1245、piR-18849、piR-19521和piR-17724促進腫瘤的形成，而例如piR-017724、piR-015551、piR-5937、piR-28876、piR-001311、piR-004153、piR-017723和piR-020365具有抑制作用[17]，其中piR-015551序列屬于LNC00964-3，piR-015551在結直腸癌細胞中會顯著升高且與LNC00964-3呈正相關，表明piR-015551可能是由LNC00964-3產(chǎn)生并參與了結直腸癌的發(fā)生發(fā)展過程[18]。除此之外piR59056、piR-54878和piR-62701在結直腸癌組織中也高表達，并與預后有關[11]。由此可知piRNA在結腸癌的作用不甚相同，循其特性進行研究、分類。

3.1 piRNA與結腸癌的早期診斷 結直腸癌在早期通常缺乏典型癥狀，大多數(shù)患者被診斷為晚期，因此，早期發(fā)現(xiàn)是預防和改善結直腸癌患者生存質(zhì)量的關鍵。 目前研究證明piRNA有機會作為結直腸癌早期檢測的非侵入性生物標志物。2018年歐洲學者研究指出：piRNA在癌癥患者的血清中被發(fā)現(xiàn)與健康人群相比顯著降低。根據(jù)piR-5937和piR-28876的水平，可以高度敏感和特異地區(qū)分癌癥患者和健康人群。此外，這兩種piRNA在Ⅰ期疾病患者中具有不錯的診斷性能，并且比結腸癌目前使用的生物標記物CEA和CA19-9表現(xiàn)出更高的靈敏度。在手術切除后1個月，血液中的piRNA的表達也明顯恢復[19]。piR-5937和piR-28876對結直腸早期診斷和預后評價作用也證明了piRNA研究的必要性。有研究表明：結直腸癌患者血清中的piR-020619和piR-020450會持續(xù)升高，但二者在肺癌、乳腺癌和胃癌患者血清的表達無明顯變化，而且它們聯(lián)合應用有顯著的診斷價值，敏感性達72.50%，因此，這兩種piRNA可能作為結直腸癌特異性循環(huán)腫瘤標志物，適用于癌前病變的早期發(fā)現(xiàn)，有助于降低結直腸癌的發(fā)病率和死亡率。而且多種piRNA如piR-57125可在血清和血漿樣本中保持穩(wěn)定，可以作為極具潛力的結腸癌早期檢測生物標志物，以及可用于治療后患者的潛在監(jiān)測標志物。

3.2 piRNA與結腸癌的發(fā)生發(fā)展 研究表明，在多種腫瘤組織中檢測到異常的piRNA表達，有助于腫瘤細胞的增殖、遷移、侵襲、干性維持和耐藥性。piR-015551序列在結直腸癌組織中高表達，是因為piR-015551能改變piRNA的二級結構[18]。發(fā)現(xiàn)piR-823在結直腸癌組織中表達上調(diào)，其可使細胞周期阻滯在G1期，并誘導細胞凋亡，這樣piR-823通過上調(diào)HSF1的磷酸化及其轉(zhuǎn)錄后的活性來促進癌癥的形成。而piR-54265通過激活STAT3信號通路促進細胞增殖，促進結直腸癌細胞的轉(zhuǎn)移和侵襲，從而發(fā)揮致癌作用。此外，piRNA的表達水平與結直腸癌的臨床分期和預后密切相關,如：piR-1245的高表達可能與晚期結直腸癌和淋巴結轉(zhuǎn)移有關。最近的研究發(fā)現(xiàn)，多種癌癥中piRNA的表達經(jīng)常被解除調(diào)控，因此，在結直腸癌中被鑒定為過表達的piR-24000，可能是一種未被發(fā)現(xiàn)的潛在致癌的piRNA，并與侵襲性表型相關[20]，實際上，許多piRNA在結直腸癌發(fā)生發(fā)展過程中如何發(fā)揮功能我們尚不得而知。

3.3 piRNA與結腸癌預后治療 與鄰近的健康組織相比，結直腸癌患者腫瘤組織中piRNA的表達會顯著下調(diào)。因此，piRNA有可能會作為腫瘤抑制因子發(fā)揮作用。在一些研究也表明，高水平的piRNA表達與多種癌癥有關，抑制piRNA表達可以抑制癌癥的發(fā)展[16]，但還需要通過詳細的體外和體內(nèi)研究來證實。相關研究發(fā)現(xiàn)：piR-54265在結直腸癌組織中的表達高于非腫瘤組織，且腫瘤或血清中的高水平與患者的生存不良顯著相關，而用piR-54265抑制劑治療可顯著抑制小鼠移植性腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。在該研究中發(fā)現(xiàn)：過表達的piR-54265可以防止結直腸癌細胞發(fā)生凋亡，并且與結直腸癌患者對抗癌藥的耐藥性和不良預后有關，但piR-54265水平是否能真正明顯影響患者生存期仍待考究[21]。不過所有這些發(fā)現(xiàn)表明，piRNA可能是一個治療靶點，可以作為一種腫瘤RNA來預測結直腸癌的臨床轉(zhuǎn)歸。Weng等[22]發(fā)現(xiàn)piR-1245可作為結直腸癌潛在的預后生物標志物。piR-1245的功能被證明是一個癌基因，并促進了腫瘤的發(fā)展。由于piRNA可以誘導靶基因的表觀遺傳沉默，這些基因在未來也可能成為潛在的治療工具。2019年有研究指出piR-19521的表達僅與腫瘤分化程度呈負相關，但piR-18849的表達與淋巴結轉(zhuǎn)移潛能呈正相關，而且與腫瘤的分化程度呈負相關[23]。這表明piRNA不僅可以作為潛在的治療靶點，還可以作為判斷結直腸癌患者預后的指標。此外，piRNA還可能參與免疫過程，piRNA的生物合成及其在增強防御中的作用與適應性免疫系統(tǒng)對病原體的防御有一些相似之處。piRNA與表觀遺傳變化、基因和蛋白質(zhì)調(diào)控、基因組重排和其他調(diào)控過程密切相關。雖然這些研究表明piRNA和T細胞調(diào)節(jié)之間可能存在聯(lián)系，但piRNA如何通過改變其表觀遺傳狀態(tài)來調(diào)節(jié)T細胞參與免疫過程仍有待探索。piRNA具有結合能力的優(yōu)勢為結直腸癌提供了一種治療干預的手段，但遠未成熟，這對結直腸癌實現(xiàn)精確的靶向治療和改善預后提出了挑戰(zhàn)。

4 結語

除了有數(shù)量巨大的piRNA，在大鼠中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可與 piRNA 相結合的被廣泛表達的 rRecQ1 蛋白， 并且與翻譯抑制相關聯(lián)[24]，且piRNA不僅局限于生殖系細胞組織，在腫瘤組織、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和其他體細胞組織中也都有表達，與癌癥類型、臨床分期和淋巴轉(zhuǎn)移相關的piRNA表達水平還存在個體差異[25]，這使得piRNA的研究面臨著巨大的工程量。雖然piRNA無論在結直腸癌作用機制還是臨床應用都極具潛力，但面臨的挑戰(zhàn)也同樣艱巨，亟待探索研究。