tRNA 衍生的小RNA 在腫瘤中的研究進展

王鑫,李紀鵬,俞萬鈞,傅中明

寧波大學附屬人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科 浙江省寧波市,315040

人類基因組中只有約1 %的基因編碼蛋白質(zhì),其余部分均為非編碼基因。高通量測序技術(shù)的發(fā)展和應用使數(shù)萬種非編碼RNA (non-coding RNA,ncRNA) 陸續(xù)被發(fā)現(xiàn),改變了人們對包括腫瘤在內(nèi)的多種疾病的認知[1]。近年來,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一類由轉(zhuǎn)運RNA (transfer RNA,tRNA) 衍生而來的ncRNA[2]。這些由tRNA 經(jīng)過特殊剪切產(chǎn)生的ncRNA 稱為tRNA 衍生的小RNA (transfer RNA-derived small RNA,tsRNA)。大量研究表明,tsRNA可調(diào)控細胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移和基因表達,并在人類腫瘤中發(fā)揮重要作用[3],有望作為新的腫瘤標志物和腫瘤治療的靶點。本文就tsRNA 在腫瘤中的生物學功能及最新研究進展進行綜述。

1 tsRNA 的來源及分類

tsRNA 可分為兩大類: tRNA 衍生的片段(tRNA-derived RNA fragment,tRF) 和tRNA 半分子(tRNA halves,tiRNA)。二者并不是tRNA 的隨機降解產(chǎn)物,而是由一套高度保守和精確的位點特異性剪切機制控制的[4]。

1.1 tRF

tRF 是一種小的tRNA 片段,來源于成熟tRNA或前體tRNA (pre-tRNA),長度為14～30 個核苷酸。根據(jù)tRNA 的裂解位置可以將tRF 分為5 種類型: tRF-1、tRF-2、tRF-3、tRF-5 和i-tRF[5]。tRF-1由前體tRNA 的3′末端裂解產(chǎn)生,含有特征性的3′端多聚μ 殘基。tRF-2 僅包含反密碼子莖和環(huán),通常在低氧條件下產(chǎn)生。tRF-3 是在成熟tRNA 的TψC 環(huán)上裂解而成,其末端均含有特異性的CCA結(jié)構(gòu)。tRF-5 由成熟tRNA 的D 環(huán)或D 環(huán)與反密碼子環(huán)中間區(qū)域裂解產(chǎn)生。i-tRF 來自成熟tRNA 的內(nèi)部區(qū)域,包括反密碼子環(huán)和部分D 環(huán)及T 環(huán)。

1.2 tiRNA

tiRNA 是在缺氧、饑餓等應激環(huán)境下由核糖核酸酶血管生成素(angiogenin,ANG) 在成熟tRNA反密碼子中間位置切割產(chǎn)生的[6],其長度為31～40 個核苷酸,具有5′羥基。根據(jù)是否包括反密碼子裂解位置的5′或3′序列,進一步將tiRNA 分為兩種基本類型: 5′tiRNA 和3′tiRNA[7]。前者序列從成熟tRNA 的5′端開始至反密碼環(huán)結(jié)束,而后者序列則從反密碼環(huán)末端開始至成熟tRNA 的3′端結(jié)束。

2 tsRNA 與腫瘤發(fā)生的關(guān)系

2.1 影響細胞凋亡

大量研究表明,tsRNA 在調(diào)節(jié)腫瘤細胞的凋亡中起到了關(guān)鍵的作用。蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依賴性1F (protein phosphatase Mg2+/Mn2+dependent 1F,PPM1F) 是絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶PP2C家族的成員,可以通過滅活P53 信號來促進腫瘤細胞的凋亡,在多種腫瘤細胞系中均有表達。Elbarbary 等[8]發(fā)現(xiàn),5′-tiRNA-Glu 可誘導核酸內(nèi)切酶tRNase ZL 在體內(nèi)切割PPM1F 信使RNA,從而抑制細胞凋亡。含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase) 是近年來發(fā)現(xiàn)的一組存在于胞質(zhì)溶膠中的結(jié)構(gòu)上相關(guān)的半胱氨酸蛋白酶,與真核細胞凋亡密切相關(guān),并參與細胞的生長、分化與凋亡調(diào)節(jié),能被凋亡酶激活因子(apoptotic protease activating factor-1,Apaf-1) 激活從而啟動凋亡。另外有研究發(fā)現(xiàn)tiRNA 可以直接與線粒體破壞所釋放的細胞色素C 結(jié)合形成核糖核蛋白復合物,阻斷Apaf-1 的寡聚作用,從而抑制Caspase 激活,減少凋亡小體的形成或活性[9]。Kim 等[10]通過動物實驗觀察到,tsRNALeu-CAG 3′在小鼠肝臟腫瘤中高度表達,進一步研究發(fā)現(xiàn)抑制tsRNA-Leu-CAG 3′的表達顯著抑制了腫瘤生長,Tunel 細胞凋亡檢測表明tsRNA-Leu-CAG 3′低表達的肝癌組織存在大量凋亡。這些結(jié)果表明,抑制tsRNA-Leu-CAG 3′可誘導腫瘤細胞凋亡。這些證據(jù)都提示tsRNA 能參與細胞凋亡,而在腫瘤環(huán)境中tsRNA 表達異常,進而影響腫瘤預后。

2.2 影響腫瘤侵襲性

高侵襲性是惡性腫瘤的主要特征,是腫瘤進展和預后不良的重要標志。研究發(fā)現(xiàn)tRF-3017A (源自tRNA-Val-TAC) 在胃癌組織和細胞系中異常表達,并能促進胃癌細胞侵襲遷移[11]。進一步對機制研究表明,tRF-3017A 通過與Argonaute (AGO)蛋白形成RNA 誘導的沉默復合體(RNA-induced silencing complex,RISC) 來沉默腫瘤抑制基因NELL2,從而促進胃癌細胞的遷移和侵襲。另外有學者發(fā)現(xiàn)tRF-17 在乳腺癌組織和血清中顯著低表達[12]。進一步證實tRF-17 在乳腺癌中作為一種新的腫瘤抑制因子通過THBS1/TGF-b1/Smad3 軸顯著抑制腫瘤細胞的侵襲性。過表達的tRF-17 能顯著下調(diào)神經(jīng)鈣黏附蛋白、基質(zhì)金屬蛋白酶3、基質(zhì)金屬蛋白酶9 等上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT) 相關(guān)基因的表達。先前的研究表明,緊密連接蛋白1 是一種EMT 相關(guān)的標記物,與腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲相關(guān)[13]。緊密連接蛋白1 能在結(jié)腸癌細胞中過表達,并促進腫瘤細胞侵襲轉(zhuǎn)移[14]。Luan 等[15]進一步研究證實緊密連接蛋白1 是 tRF-20-M0NK5Y93 的直接靶點。tRF-20-M0NK5Y93 通過下調(diào)緊密連接蛋白1 來抑制腫瘤細胞侵襲和轉(zhuǎn)移,從而抑制結(jié)腸癌進展。但在腫瘤細胞低氧環(huán)境中tRF-20-M0NK5Y93 表達下降,對緊密連接蛋白1 的抑制作用減弱。

2.3 影響腫瘤細胞增殖

tRF-1001 是第一個被發(fā)現(xiàn)與腫瘤增殖相關(guān)的tsRNA。tRF-1001 來源于自絲氨酸轉(zhuǎn)運RNA 前體,在前列腺癌細胞中高度表達,通過調(diào)節(jié)細胞周期促進細胞增殖[16]。tsRNA 在卵巢癌細胞的增殖中也發(fā)揮了重要作用。研究顯示,tRF 在高級別漿液性卵巢癌(HGSOC) 患者與健康對照組之間存在差異表達[17]。其中,tRF-03357 在高級別漿液性卵巢癌患者血清樣本中表達上調(diào),并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子HMBOX1 促進卵巢癌細胞的增殖。極光激酶A(aurora kinases A,AURKA) 基因編碼一種高度保守的絲氨酸-蘇氨酸激酶,參與細胞周期的控制。AURKA 在腫瘤中常異常表達,能直接或間接的激活多種致癌蛋白,從而推動腫瘤的發(fā)生發(fā)展[18]。Shao 等[19]研究發(fā)現(xiàn)tRF-Leu-CAG 在非小細胞肺癌中高表達,并促進非小細胞肺癌細胞增殖,影響細胞周期,其機制可能與促進AURKA 的表達相關(guān)。

3 在不同腫瘤中的研究進展

3.1 肺癌

肺癌是世界上死亡率最高的惡性腫瘤,一旦轉(zhuǎn)移,5 年生存率將低于5 %[20]。目前已有大量研究表明tsRNA 在肺癌中失調(diào)。Pekarsky 等[21]發(fā)現(xiàn)ts-4521 和ts-3676 這兩種新的tiRNA 在肺癌組織中被顯著下調(diào)。進一步研究顯示,這兩種tiRNAs 都參與腫瘤凋亡,其機制不僅與AGO 蛋白相互作用有關(guān),還與參與轉(zhuǎn)座子沉默的蛋白質(zhì)PIWIL2 相互作用有關(guān),能顯著抑制腫瘤細胞生長和肺癌細胞存活,有潛力成為治療肺惡性腫瘤的新型靶向藥物。另一項研究發(fā)現(xiàn),tRF-Leu-CAG (來源于tRNALeu) 能調(diào)控非小細胞肺癌中的極光激酶A (AURKA) 活性,從而介導細胞細胞周期進展[19]。AURKA 與中心體的成熟和分離有關(guān),并調(diào)控紡錘體的組裝和穩(wěn)定性,在有絲分裂中發(fā)揮重要作用。tRF-Leu-CAG 的過表達大大增加了非小細胞肺癌中AURKA 的活性,通過Wnt/β-catenin 和PI3K/Akt信號通路促進G0/G1細胞周期進展、誘導上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,最終促進腫瘤的惡化,是一種新的分子標志物和潛在的治療靶點。Hu 等[22]研究表明,tsRNA-5001a 可促進肺腺癌細胞增殖,其高表達可增加肺腺癌患者術(shù)后復發(fā)的風險。RNA 測序結(jié)果和癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫分析顯示,GADD45G 可能是tsRNA-5001a 的靶基因,靶向tsRNA-5001a 可能是一種治療肺癌的新方法。總之,tsRNA 的失調(diào)與肺癌的發(fā)病機制密切相關(guān)。

3.2 乳腺癌

近年來tsRNA 在乳腺癌中發(fā)揮的重要功能越來越被人們所重視,對于tsRNAs 在乳腺癌的研究有望為臨床治療提供指導。大量研究表明tsRNA在血液中高度富集[23-24],有潛力成為具有乳腺癌早期診斷和預后價值的腫瘤標志物。在對大量乳腺癌患者血清中的tsRNA 研究發(fā)現(xiàn): tRF-Arg-CCT-017、RNA-Phe-GAA-003、tRF-Gly-CCC-046、tRFTyr-GTA-010 和tRF-Pro-TGG-001 在腫瘤細胞的表達與正常人相比具有明顯的差異,且與乳腺癌的預后相關(guān)[25-26]。這表明血清中特定的tsRNA 在作為乳腺癌診斷和預后的腫瘤標志物應用于臨床上具有巨大潛力。另外有學者提出,tRF-30-JZOYJE-22RR33 和tRF-27-ZDXPHO53KSN 可能通過調(diào)節(jié)靶基因的表達產(chǎn)物參與曲妥珠單抗耐藥[27],為乳腺的個體治療提供了新思路。值得一提的是,三陰性乳腺癌因其分子結(jié)構(gòu)特殊、惡性程度高、缺乏靶向及內(nèi)分泌治療等特點導致患者的總體生存期縮短及復發(fā)率高。盡管三陰性乳腺癌對化療有良好的初始反應,但治療的主要障礙是其化療耐藥性。目前有研究發(fā)現(xiàn)tRF-0009 可能在缺氧誘導化療耐藥中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用[28],具體的機制及臨床價值有待進一步研究。

3.3 結(jié)腸癌

結(jié)直腸癌是世界范圍內(nèi)最常見的癌癥相關(guān)死亡原因之一,嚴重威脅著公眾健康,其發(fā)病率和死亡率逐年上升[29]。Dicer1 是一種核糖核酸酶,是一些非編碼RNA 生物生成所必需的關(guān)鍵酶,也是哺乳動物發(fā)育和細胞分化所必需的催化酶,它與癌癥的發(fā)展密切相關(guān)[30]。最近的研究表明,tRF 的生物發(fā)生需要Dicer1,缺氧可誘導結(jié)腸癌細胞過表達Dicer1,并進而通過調(diào)節(jié)tRF-20-MEJB5Y13 的表達,在結(jié)腸癌進展中發(fā)揮關(guān)鍵作用[31],從而促進結(jié)腸癌細胞的侵襲和遷移。tRF-20-MEJB5Y13 可作為一種新型的腫瘤標志物和藥物的新靶點。另外,5′tiRNA-His-GTG 作為一種tRNA 半分子在結(jié)腸癌組織中上調(diào)[32]。體外和體內(nèi)實驗揭示了5′tiRNAHis-GTG 在結(jié)直腸癌中通過抑制癌細胞凋亡從而發(fā)揮致癌作用。深入研究發(fā)現(xiàn),在腫瘤缺氧微環(huán)境下通過激活HIF1α/血管生成素(ANG) 軸來誘導5′tiRNA-His-GTG 產(chǎn)生,進而缺氧誘導的5′tiRNAHisGTG 通過抑制LATS2 來促進結(jié)腸癌進展,這為結(jié)腸癌的治療提供了新的靶點。另外Li 等[33]的研究顯示,結(jié)腸癌組織中5′-tiRNA-Val 的表達水平顯著高于癌旁組織,細胞功能和動物實驗顯示5′-tiRNA-Val 能促進腫瘤細胞的遷移和侵襲,但對促進細胞增殖無顯著影響,進一步研究發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移組織中5′-tiRNA-Val 的相對平均水平明顯高于無轉(zhuǎn)移的結(jié)腸癌組織,這些結(jié)果表明5′-tiRNA-Val 具有作為評估結(jié)腸癌進展和轉(zhuǎn)移的腫瘤標志物的潛力。結(jié)腸癌患者血清中5′-tRF-GlyGCC 水平顯著增加,與結(jié)腸癌的轉(zhuǎn)移和進展呈正相關(guān)[34]。此外受試者工作特性(receiver operating characteristic,ROC)曲線表明,血清5′-tRF-GlyGCC 在區(qū)分結(jié)腸癌患者和健康人群方面具有遠高于CEA 或CA199 的診斷價值,是篩查結(jié)腸癌的一種新的腫瘤標志物。此外,與目前的腫瘤標志物CEA 和CA199 的組合可以進一步提高其診斷價值。

3.4 胃癌

tsRNA 在腫瘤細胞和血液中含量豐富,有作為胃癌腫瘤標志物的潛力。最新研究表明hsa_tsr016141 在胃癌組織和血清中的表達水平顯著升高[35]。血清表達水平與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移程度和腫瘤分級呈正相關(guān)。ROC 分析顯示,hsa_ tsr016141 的血清表達水平可明顯區(qū)分胃癌患者、健康人群和胃炎患者,且胃癌患者術(shù)后hsa_ tsr016141 表達水平明顯下降(P＜0.0001),但是目前hsa_ tsr016141 的具體機制尚不清楚,需要進一步研究和驗證。另外tiRNA-5034-Glu-TTC-2 作為新發(fā)現(xiàn)的tsRNA 在胃癌組織和血清中明顯下調(diào)[36]。其表達水平與腫瘤大小顯著相關(guān)。組織與血清聯(lián)合使用的敏感性、特異性、AUC 分別為84.7 %、92.8 %、0.915,是胃癌診斷的一種新的腫瘤標志物。另外有文獻表明胃癌患者血漿樣本中 tRF-19-3L7L73JD、tRF-33-P4R8YP9LON4VDP 表達水平下降[37-38],進一步通過細胞實驗發(fā)現(xiàn) tRF-19-3L7L73JD、tRF-33-P4R8YP9LON4VDP 的表達水平增加能抑制腫瘤細胞增殖、遷移并促進凋亡,證明tRF-19-3L7L73JD、tRF-33-P4R8YP9LON4VDP 在胃癌中發(fā)揮抑癌作用,是潛在的腫瘤標志物和治療靶點。Dong 等[39]發(fā)現(xiàn)tRF-24-V29K9UV3IU 在胃癌組織中的表達水平顯著降低,進一步的研究表明,tRF-24-V29K9UV3IU 顯著抑制胃癌細胞的增殖、遷移和侵襲,并促進細胞凋亡,其機制與通過靶向Wnt/β-catenin 和MAPK信號通路來抑制胃癌細胞的轉(zhuǎn)移有關(guān)。有潛力成為腫瘤抑制劑,是胃癌治療的新靶點。另外有研究觀察到tRF-Glu-TTC-027 在胃癌標本中明顯下調(diào)[40],進一步研究發(fā)現(xiàn)tRF-Glu-TTC-027 在胃癌組織中的表達與胃癌的病理分級和腫瘤大小負相關(guān),tRFGlu-TTC-027 可通過抑制MAPK 信號通路抑制胃癌的進展,有望成為胃癌分子靶向治療的潛在靶點。

4 結(jié)論和展望

tRNA 分解產(chǎn)物作為腫瘤標志物的存在早在20世紀70 年代就已被發(fā)現(xiàn),但對于tsRNA 在腫瘤中的研究直到最近才興起。隨著高通量測序技術(shù)的應用,發(fā)現(xiàn)了多種類型的腫瘤中tsRNA 的異常表達。特別是最近幾年,有關(guān)tsRNA 在腫瘤中的研究成果大量出現(xiàn)。一方面,與傳統(tǒng)的腫瘤標記物相比tsRNA 因具有良好的組織特異性、高度豐富而穩(wěn)定、高度靈敏且在腫瘤中廣泛存在等特點,具有作為新型腫瘤標志物的巨大優(yōu)勢。有望在將來取代傳統(tǒng)的腫瘤標記物,這對腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)意義重大。另一方面,tsRNA 在調(diào)節(jié)腫瘤細胞的增殖、轉(zhuǎn)移和耐藥中發(fā)揮著重要作用,正在成為基因及靶向治療新風口,在惡性腫瘤治療領(lǐng)域開辟出一條新的道路。然而,在目前tsRNA 研究仍處于早期階段,并存在許多需要解決的問題。要進一步認清tsRNA的生成和功能,還有諸多工作亟待開展。