piRNA/PIWI在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中的研究進(jìn)展

盧芳 李家鋒 曹焜 呂中靜 鮑強(qiáng)

摘要：piRNA屬于小的單鏈RNA，其5'端含有一個(gè)單磷酸基和強(qiáng)尿嘧啶偏向性，其3'端2-OH被甲基化。通常與PIWI蛋白家族成員結(jié)合來發(fā)揮調(diào)節(jié)功能。諸多研究表明piRNA/PIWI在多種惡性腫瘤中表達(dá)改變預(yù)示著截然不同的臨床結(jié)果，可能作為頭頸部鱗狀細(xì)胞癌發(fā)生發(fā)展過程中的潛在生物標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)。鑒于piRNA/PIWI在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中的功能意義仍然未知，本文對piRNA/PIWI的生物功能及其在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中的作用進(jìn)行綜述，旨在為頭頸部鱗狀細(xì)胞癌的診斷及治療開辟新思路，以期實(shí)現(xiàn)腫瘤的早期檢測和治療干預(yù)。

關(guān)鍵詞：PIWI蛋白；piRNA；頭頸部鱗狀細(xì)胞癌；生物標(biāo)志物

中圖分類號：R739.91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2024.04.037

文章編號：1006-1959（2024）04-0188-05

Research Progress of piRNA/PIWI in Head and Neck Squamous Cell Carcinoma

LU Fang1，2，LI Jia-feng2，CAO Kun2，LYU Zhong-jing2，BAO Qiang2

（1.School of Stomatology，Xuzhou Medical University，Xuzhou 221009，Jiangsu，China;

2.Department of Stomatology，Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University，Xuzhou 221002，Jiangsu，China）

Abstract：piRNA is a small single-stranded RNA， its 5' end contains a single phosphate group and strong uracil bias， and its 3' end 2-OH is methylated. It usually binds to members of the PIWI protein family to exert regulatory functions. Many studies have shown that the expression changes of piRNA/PIWI in a variety of malignant tumors indicate different clinical results， which may be used as a potential biomarker or therapeutic target in the development of head and neck squamous cell carcinoma. In view of the functional significance of piRNA/PIWI in head and neck squamous cell carcinoma is still unknown， this article reviews the biological function of piRNA/PIWI and its role in head and neck squamous cell carcinoma， aiming to open up new ideas for the diagnosis and treatment of head and neck squamous cell carcinoma， in order to achieve early detection and treatment intervention of tumors.

Key words：PIWI proteins;piRNA;Head and neck squamous cell carcinoma;Biomarker

頭頸部鱗狀細(xì)胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）是頭頸部普遍多見且預(yù)后較差的惡性腫瘤，吸煙、酒精和HPV感染是最常見的危險(xiǎn)因素[1]。淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移是造成HNSCC預(yù)后及生存率不佳的主要原因，因此早期發(fā)現(xiàn)是改善患者預(yù)后和提高存活率的關(guān)鍵因素，然而早期HNSCC一般是無癥狀且進(jìn)展緩慢的，因此尋求一個(gè)高精度、高準(zhǔn)確性的標(biāo)志物或臨床靶標(biāo)是十分必要的[2]。PIWI蛋白相互作用RNA（PIWI-interacting RNA，piRNA）是近年來各種癌癥治療研究方向的一個(gè)新興參與者，但迄今為止在頭頸部鱗癌中尚未得到廣泛研究。然而，piRNA可能作為獨(dú)特的治療靶點(diǎn)和分子標(biāo)志物，用于早期檢測和有效治療HNSCC，因此本文對piRNA及PIWI蛋白的分子機(jī)制和生物學(xué)功能以及piRNA/PIWI在HNSCC中的生物學(xué)基礎(chǔ)及作用前景作一簡要綜述，旨在為HNSCC的研究及治療提供新策略，提升HNSCC患者的預(yù)后及生存率。

1 piRNA

1.1 piRNA概述? 非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）是一類擁有特殊功能的小RNA分子，在發(fā)育和體內(nèi)平衡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，特別是癌癥中ncRNA的頻繁失調(diào)會導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移。ncRNA可分為管家和調(diào)節(jié)ncRNA。調(diào)節(jié)性ncRNA以200個(gè)核苷酸為界進(jìn)一步分為小ncRNA和長ncRNA。小分子ncRNA又分為小干擾RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）和piRNA[3]。piRNA是一種新型的小ncRNA，長度為26～30個(gè)核苷酸，最初于2006年在哺乳動(dòng)物睪丸內(nèi)發(fā)現(xiàn)，可以同高度保守的RNA結(jié)合蛋白PIWI相互結(jié)合，并利用這種表觀遺傳機(jī)制在哺乳動(dòng)物生殖系細(xì)胞中發(fā)揮其功能[4]。自piRNA發(fā)現(xiàn)以來，主要在生殖系統(tǒng)中得到廣泛研究，研究認(rèn)為其僅僅在生殖細(xì)胞中起調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)座子的功能，然而，隨著不斷的深入研究發(fā)現(xiàn)piRNA在多種惡性腫瘤中的異常差異表達(dá)，會改變腫瘤的發(fā)展進(jìn)程，有希望成為調(diào)節(jié)癌癥患者臨床結(jié)果的有吸引力的臨床靶標(biāo)[5]。

1.2 piRNA的生物發(fā)生? piRNA有3個(gè)來源：轉(zhuǎn)座子、mRNA和IncRNA。而成熟的piRNA來源主要有兩種途徑：初級合成機(jī)制和“乒乓”擴(kuò)增循環(huán)機(jī)制[6]。piRNAs來源于特定的基因組位點(diǎn)，稱為piRNA簇[7]，長的單鏈前體piRNA由piRNA簇轉(zhuǎn)錄后被PIWI蛋白切割，繼而產(chǎn)生初級piRNA。miRNA和siRNA都來源于雙鏈RNA前體，并被核糖核酸酶Dicer加工，而piRNA不依賴Dicer[8]。初級合成通過RNA聚合酶沿著異染色質(zhì)DNA模板鏈的3到5方向移動(dòng)，促piRNA鏈的延伸，最終產(chǎn)生前體piRNA。pre-piRNAs通過核孔運(yùn)出細(xì)胞核并聚集在核周。Yb小體通常位于線粒體周圍，pre-piRNAs與Yb小體結(jié)合可以增強(qiáng)PIWI和piRNAs的結(jié)合能力[9，10]。PIWI蛋白通過識別piRNA的5'端結(jié)合，與前體piRNA結(jié)合形成沉默復(fù)合體piRISC，線粒體中的Zuc蛋白作為單鏈特異性核酸內(nèi)切酶切割pre-piRNA，預(yù)示著5端的加工與成熟，而前體piRNA的3端被一種叫做Trimmer的酶切割，最后，成熟的piRNA在其3'末端被甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行2'-OH甲基化，形成穩(wěn)定的piRNA[11，12]。

果蠅有3種PIWI蛋白：PIWI、Aubergine（Aub）和 Argonaute 3（Ago3），每種都與不同的piRNA群結(jié)合。在“乒乓”擴(kuò)增循環(huán)中，piRNA不是與PIWI蛋白結(jié)合，而與Ago3或Aub蛋白結(jié)合?！捌古摇毖h(huán)從將piRNA簇衍生的piRNA加載到Aub開始。這種piRNA對轉(zhuǎn)座子（TE）是反義的，并引導(dǎo)Aub在細(xì)胞質(zhì)中清除互補(bǔ)的轉(zhuǎn)座子mRNA。最終，Aub切割TE的mRNA并導(dǎo)致其破壞以及5'piRNA前體的產(chǎn)生。這個(gè)新生成的piRNA被加載到Ago3并被進(jìn)一步處理以產(chǎn)生二級piRNA。Ago3上的二級piRNA對TE有意義，并切割新生成的前體轉(zhuǎn)錄物，這些前體轉(zhuǎn)錄物加載到Aub中以啟動(dòng)新一輪的piRNA生成，稱為“乒乓”循環(huán)[13]。PIWI蛋白是核蛋白，存在于卵巢的生殖細(xì)胞和體細(xì)胞中，而Aub和Ago3是細(xì)胞質(zhì)的，主要存在于生殖細(xì)胞，而體細(xì)胞中缺乏Aub和Ago則沒有乒乓循環(huán)[14]。

1.3 piRNA/PIWI在腫瘤中的生物學(xué)功能? piRNA/PIWI可以利用對轉(zhuǎn)座子的沉默來保護(hù)基因組的完整性[15]，幾乎在每一個(gè)真核生物的基因組中，都隱藏著大量被稱為轉(zhuǎn)座子的序列。轉(zhuǎn)座子是可以在染色體DNA上反復(fù)復(fù)制和轉(zhuǎn)移的DNA序列，當(dāng)轉(zhuǎn)座子處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，頻繁的復(fù)制和轉(zhuǎn)移會增加癌癥的風(fēng)險(xiǎn)，而這種頻繁的失調(diào)則可能是癌癥的主要致病機(jī)制之一，TE可導(dǎo)致遺傳的多樣性和不穩(wěn)定性，對物種的進(jìn)化具有重要意義。最重要的TE抑制機(jī)制之一就是PIWI/piRNA途徑，piRNAs和PIWI蛋白構(gòu)成了piRNA通路的核心[16]。piRNAs不僅可以在轉(zhuǎn)座子范圍內(nèi)指導(dǎo)DNA甲基化，還可以在非轉(zhuǎn)座子基因座上引導(dǎo)DNA甲基化，因此piRNA及其PIWI蛋白可以通過調(diào)節(jié)DNA甲基化引起腫瘤發(fā)生[17]。有研究表明[18，19]，piRNA具有作為監(jiān)測系統(tǒng)降解反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子相關(guān)mRNA的能力，以防止轉(zhuǎn)座子序列的普遍擴(kuò)散，piRNA可以使用類miRNA機(jī)制來抑制其靶基因的表達(dá)，推測piRNA在腫瘤抑制方面的潛在功能。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)[20]，在OSCC中piR-1037表達(dá)的上調(diào)會使癌癥干細(xì)胞產(chǎn)生順鉑抗性，這表明piRNA在維持腫瘤細(xì)胞的干細(xì)胞特性方面具有一定作用。因此，靶向piRNA/PIWI通路可能是未來有前景的化療方向。

2 PIWI蛋白

PIWI蛋白最早發(fā)現(xiàn)于果蠅，在果蠅雌性生殖系中主要位于細(xì)胞核中[21]，而人源PIWI基因首先在人類睪丸組織中發(fā)現(xiàn)，目前認(rèn)為此種類型的蛋白質(zhì)對piRNA的生物合成及其主要功能至關(guān)重要[22]。PIWI蛋白是piRNA作用途徑的中心，即piRNA調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮離不開PIWI蛋白的配合。人源PIWI蛋白主要包括PIWIL1（HIWI）、PIWIL2（HILI）、PIWIL3和PIWIL4（HIWI2）這4種類型，已發(fā)現(xiàn)PIWI蛋白的表達(dá)與多種癌癥患者的不良臨床結(jié)果之間存在非常強(qiáng)的相關(guān)性[23]。有研究稱在皮膚和口腔傷口的愈合環(huán)節(jié)檢測到PIWI基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)PIWI基因始終在不同部位的皮膚和口腔黏膜中表達(dá)[24]，表明PIWI蛋白可能參與皮膚與黏膜傷口愈合的某一環(huán)節(jié)。還有研究表明HIWI在口腔癌中的過表達(dá)會導(dǎo)致不良預(yù)后[25]。近年來有學(xué)者[26]發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過乙醇和乙醛處理的正?？谇唤琴|(zhì)形成細(xì)胞中PIWIL4持續(xù)上調(diào)，這表明PIWIL4蛋白可能與口腔鱗狀細(xì)胞癌（OSCC）的危險(xiǎn)因素有關(guān)。在OSCC中PIWIL2在腫瘤微環(huán)境中的腫瘤上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中表達(dá)，后又通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PIWIL2主要在惡性和惡變前組織中表達(dá)[27]，這表明PIWI蛋白在OSCC的預(yù)后中具有重要價(jià)值。之后，相關(guān)研究證實(shí)了PIWIL2在OSCC細(xì)胞系和組織中過表達(dá)，并且與惡性階段顯著相關(guān)。此外，在人類OSCC細(xì)胞系Tca8113中沉默PIWIL2表達(dá)后，不僅導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯以及細(xì)胞凋亡，細(xì)胞的遷移和侵襲能力也受到影響[28]。以上研究結(jié)果均表明PIWI蛋白不僅在其他惡性腫瘤中發(fā)揮重要作用，在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌發(fā)生發(fā)展中的作用也不容小覷，但PIWI家族的具體作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。

3 piRNA/PIWI與頭頸部鱗狀細(xì)胞癌

人類基因組中包含了超過2000個(gè)piRNA基因，piRNA幾乎遍布在整個(gè)基因組中。目前已有眾多研究表明PIWI蛋白有望應(yīng)用于包括胰腺癌[29]、結(jié)直腸癌[30]和泌尿生殖系統(tǒng)癌[31]在內(nèi)的多種癌癥的早期檢測和治療干預(yù)。而最新的一些研究也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)piRNA在多種惡性腫瘤中有致癌或抑癌作用。piRNA可作為結(jié)腸癌早期診斷的生物標(biāo)志物[32]，并與透明細(xì)胞腎細(xì)胞癌的預(yù)后有關(guān)[33]，同時(shí)可在體外和體內(nèi)抑制人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和胃癌的細(xì)胞活性[34，35]。

3.1 piRNA的差異表達(dá)與HNSCC? 早在2011年就有學(xué)者提出piR-NONHSAT102574和piRNONHSAT144936表達(dá)與頭頸癌中的NOTCH突變相關(guān)[36]，這一發(fā)現(xiàn)提示piRNA在頭頸部腫瘤中也具有一席之地，piRNA可能與HNSCC患者的臨床病理特征、不同亞型和相關(guān)危險(xiǎn)因素有關(guān)為了鑒定區(qū)分非惡性組織和腫瘤組織的piRNA，有學(xué)者檢測了12種包括頭頸部鱗癌在內(nèi)的不同類型腫瘤樣本5752例，結(jié)果顯示在腫瘤中表達(dá)的piRNA數(shù)量遠(yuǎn)超非惡性組織，且piRNA的差異表達(dá)可能與腫瘤臨床分期有關(guān)[37]。

3.2 piRNA/PIWI與相關(guān)危險(xiǎn)因素? 有研究分析了43個(gè)非惡性和455個(gè)HNSCC樣本中的piRNA表達(dá)，最后發(fā)現(xiàn)共有305個(gè)piRNA在非惡性和腫瘤組織中得到了強(qiáng)有力的表達(dá)，但腫瘤組織中piRNA的表達(dá)更為豐富，且有僅僅只在非惡性組織中或腫瘤組織中單獨(dú)表達(dá)的piRNA[38]，這與之前的研究結(jié)果是一致的。同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了在HPV陰性和陽性患者中piRNA的表達(dá)存在差異，在具有最高致癌潛力的HPV16和HPV18中，piRNA FR140858的丟失可能會促進(jìn)微型染色體維持復(fù)合物組分7（MCM7）表達(dá)，而MCM7的表達(dá)是通過HPV病毒癌基因E736的活性誘導(dǎo)的，并且與宮頸癌中的HPV感染顯著相關(guān)，這提示piRNA與HNSCC患者的相關(guān)危險(xiǎn)因素有關(guān)。

有報(bào)道稱[39]，通過分析癌癥基因組圖譜（TCGA）中256個(gè)當(dāng)前吸煙者和終生不吸煙者樣本的RNA測序數(shù)據(jù)，篩選發(fā)現(xiàn)了4個(gè)piRNA在吸煙誘導(dǎo)的HNSCC中表達(dá)失調(diào)，這些改變的piRNA與TP53突變和TP53突變－3p缺失幾乎同時(shí)發(fā)生，且它們可能和PIWIL1一起參與了TP53的突變和3q26、8q24和11q13的擴(kuò)增。其中NONHSAT123636和NONHSAT113708與腫瘤分期有關(guān)，NONHSAT067200與患者生存率有關(guān)，NONHSAT081250與吸煙改變的PIWIL1蛋白表達(dá)有關(guān)。此外，之前已發(fā)現(xiàn)NONHSAT105870與乳腺癌有關(guān)，這表明同一個(gè)piRNA可能擁有調(diào)節(jié)不同惡性腫瘤的能力[40]。之后又深入研究了HPV誘導(dǎo)的HNSCC患者中的piRNA改變，發(fā)現(xiàn)上調(diào)piRNAs表達(dá)和PIWIL4表達(dá)之間存在正相關(guān)性，同時(shí)通過體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多種piRNAs在HPV陽性癌細(xì)胞與HPV陰性正常細(xì)胞系中呈現(xiàn)出不同的表達(dá)量[41]，證實(shí)了piRNA/PIWI通路可能參與HNSCC腫瘤的發(fā)生發(fā)展，但具體機(jī)制仍然是未知的。

3.3 piRNA/PIWI 的作用前景? 相關(guān)研究使用從40例HNSCC患者獲得的下一代RNA測序（RNA-seq）數(shù)據(jù)，比較飲酒者和不飲酒者之間HNSCC樣本的piRNA和PIWI蛋白表達(dá)，經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)證明piR-35373、piR-266308、piR-58510和piR-38034，在飲酒組和非飲酒組之間顯著失調(diào)，其中piR-58510和piR-35373的低表達(dá)與患者生存率的提高顯著相關(guān)[26]，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)乙醇會引起piR-35373、piR-266308、piR-58510和piR-38034的上調(diào)。人PIWIL4蛋白在乙醇和乙醛處理的正?？谇唤琴|(zhì)形成細(xì)胞中持續(xù)上調(diào)。以上結(jié)果表明piRNA/PIWI通路還參與了酒精相關(guān)的HNSCC腫瘤的發(fā)生發(fā)展，而體外實(shí)驗(yàn)確定的4種與飲酒有關(guān)的piRNA可能潛在地用作早期檢測HNSCC的治療靶點(diǎn)或生物標(biāo)志物。鱗狀細(xì)胞癌的發(fā)生離不開鱗狀上皮的惡變，除口腔黏膜外，皮膚通常也屬于鱗狀上皮，也可以患癌。最新的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在傷口愈合過程中，皮膚和口腔黏膜上皮中均檢測到大量的piRNA表達(dá)，同時(shí)，在皮膚和口腔傷口愈合中也檢測到PIWI基因的表達(dá)，且4種人類PIWI基因的mRNA都存在于人類皮膚和頰黏膜樣本中[24]，這證明piRNA/PIWI路徑未來可能在口腔鱗癌的傷口愈合過程中發(fā)揮未知作用。

OSCC是最常見和最具侵襲性的頭頸癌類型之一，放化療的耐受是導(dǎo)致患者腫瘤轉(zhuǎn)移以及術(shù)后復(fù)發(fā)的主要原因，piR-1037的基礎(chǔ)表達(dá)對OSCC細(xì)胞具有致癌作用，此外piR-1037表達(dá)水平與OSCC對順鉑化療的化學(xué)抗性密切相關(guān)，并通過實(shí)驗(yàn)證明piR-1037表達(dá)的上調(diào)可以通過抑制順鉑化療誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和OSCC細(xì)胞中化學(xué)抗性生物標(biāo)志物的表達(dá)來增強(qiáng)化學(xué)抗性[20]，近來在乳腺癌中也有類似報(bào)道[42]。因此，臨床上利用RNA干擾介導(dǎo)的基因沉默來選擇性沉默piR-1037可能大大提高OSCC患者的化療效果，從而延緩腫瘤轉(zhuǎn)移進(jìn)程。

4總結(jié)

piRNA作為長度只有26～30 nt的短RNA片段，在細(xì)胞中的壽命很長，且?guī)缀踉谌祟愃谢蚪M中均有分布，這表明piRNA不像長的RNA片段那樣容易被分解，同時(shí)可以輕松穿過細(xì)胞膜，并且可以更長時(shí)間的存在于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮各種各樣的作用，那么piRNA作為一種潛在的非侵襲性方法在癌癥診斷、治療和預(yù)后中都是十分有前景的，但目前大多數(shù)研究都集中在HNSCC中piRNA和PIWI蛋白的異常表達(dá)，piRNA/PIWI異常表達(dá)介導(dǎo)腫瘤發(fā)生的機(jī)制以及具體哪些下游靶標(biāo)在癌癥中被piRNA/PIWI復(fù)合物直接調(diào)控仍不明確。盡管如此，隨著研究的不斷深入，piRNA/PIWI定當(dāng)在不久的將來給HNSCC的診斷以及治療帶來新突破和新高峰。

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收稿日期：2023-02-07；修回日期：2023-03-03

編輯/王萌