tRNA衍生片段在腫瘤中的研究進展*

周永強 吳永娜 李汛③④

生物標志物對于腫瘤的診斷、治療和預測復發具有重要意義，其有助于早期發現腫瘤并指導腫瘤靶向治療的選擇。近年來，深度基因測序技術的發展使得檢測和研究小非編碼RNA（small non-coding RNA，sncRNA）成為可能，轉運RNA（transfer RNA，tRNA）由于其在基因轉錄調控中的特殊生物學功能成為腫瘤和多種人類疾病的研究焦點［1］。根據tRNA不同的切割位點，tRNA 衍生片段可分為兩種主要類型：tRF（tRNA-derived small RNA fragments）和tiRNA（tRNA halves）。已在多種人類疾病中觀察到異常表達的tRF&tiRNA，包括腫瘤、神經退行性疾病、代謝性疾病和傳染病等，尚待確定這些tRF&tiRNA 是否和疾病的發病機制相關，但其為探索和開發新的生物標志物提供了新的視角，tRF&tiRNA 可能是腫瘤治療的新靶點。

1 tRF & tiRNA概述

1.1 tRNA的來源和結構

未成熟tRNA 通過RNA 聚合酶Ⅲ轉錄為前體分子（precursor tRNA，pre-tRNA），pre-tRNA 通過向3'末端和特定5'末端添加核苷酸，剪接反應切除內含子等步驟產生成熟tRNA［2］。組成tRNA 的核苷經常被修飾，使被修飾的核苷具有tRNA 鑒別、翻譯保真度、tRNA 質量控制等功能。tRNA 具有保守的三葉草二級結構，由D-環、反密碼子環、可變環、TψC 環組成（圖1）。成熟tRNA 或pre-tRNA 不同位點的特異性切割形成兩組tRNA 衍生片段：tiRNA 和tRF。其中，tiRNA 包括5'-tRNA 半（5'-tRNA halves，tiRNA-5）和3'-tRNA 半（3'-tRNA halves，tiRNA-3），tRF 包 括tRF-5、tRF-3、tRF-1和i-tRF［3］。

圖1 tRNA衍生片段的來源及不同亞類

1.1.1 tRF 的來源及不同亞類 tRF 為衍生自成熟tRNA 和pre-tRNA 的小RNA 片段，根據來源可分為tRF-5，衍生自成熟tRNA 的D 環；tRF-3 衍生自成熟tRNA 的TψC 環；tRF-1 通過切割pre-tRNA 的3'末端產生；i-tRF 來源于成熟tRNA 內部結構域的切割［4］。有研究表明，tRF-5和tRF-3通過Dicer依賴性途徑產生［5］，然而也有報道表明，tRF-5和tRF-3的生物發生不依賴Dicer途徑［6］。tRF-5和tRF-3可以與Ago蛋白（Argonaute proteins，Ago）和Piwi 蛋白（PIWI proteins）相互作用，調控轉錄前與轉錄后基因表達水平［7］。tRF-1通過核酸內切酶Z（endonuclease Z，RNase Z）途徑發生［8］，tRF-1不與任何Ago蛋白結合。i-tRF可在成熟tRNA 內部的任何位置，但不跨越5'或3'末端。i-tRF的生物發生和功能仍需要進一步研究。

1.1.2 tiRNA 的來源及不同亞類 tRNA 半（tiRNA）通過在成熟tRNA 反密碼子環中特異性切割產生，主要類型有tiRNA-5 和tiRNA-3。tiRNA 在氨基酸缺乏、磷酸鹽饑餓、紫外線輻射、熱休克、缺氧、氧化損傷和病毒感染等應激條件下產生［9］。血管生成素酶（angiogenin，ANG）主要參與哺乳動物中tiRNA 的形成，ANG 介導產生的tiRNA 受到精確調節［10］。ANG通過將tRNA切割成tiRNA激活其細胞保護應激反應程序。

1.2 tRF&tiRNA的特征

tRF為血清中最豐富的小非編碼RNA［11］。tRF在包括果蠅、酵母、真菌到哺乳動物等多種生物中表達，但并非所有tRNA 都產生tRF，并且不同系列的tRF 表達不均勻。tRNA 以組織特異性方式表達，tRNA 片段的長度，起點和終點以及相對豐度取決于性別、種群以及組織、疾病和疾病亞型［12］。不同生物流體（包括唾液、血清、羊水、精液、尿液和膽汁等）中tRF&tiRNA的表達存在較大差異［13］。

tRF & tiRNA 具有修飾不易降解，所以比線性RNA 更為穩定［14］，但不同片段間的穩定性可能是不對稱的。

1.3 tRF&tiRNA的生物學功能

tRF & tiRNA 與microRNA（miRNA）具有相似的功能［15］，如來自非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）細胞中tRNALeu-CAG 的3-tRF 具有miRNA 樣結構和功能，抑制蛋白質翻譯［16］。miR-1280、miR-1274a/b 和miR-886-5 的序列與tRNALeu的3'末端，tRNALys 的3'末端和tRNAAla 的5'末端一致［17］。tRF-5 和tRF-3 的特定區域可以形成tRFmiRNA 嵌合體［18］。上述研究表明，tRF&tiRNA 可以通過與miRNA相似的方式發揮生物學功能（圖2）。

圖2 tRNA衍生片段的功能

1.3.1 調節翻譯 將天然存在的5'-tiRNA轉染到人成骨細胞系U2OS 中，發現翻譯被抑制［19］。選擇的tiRNA-5s（5'-tiRNAAla和5'-tiRNACys），能夠與翻譯起始復合物中的eIF4G/eIF4A 競爭性結合抑制翻譯啟動［20］。tRF-5 的假尿苷酸化（pseudouridylation，Ψ）也可以引導干細胞的翻譯起始，導致蛋白質生物合成增加和胚層特異性缺陷［21］。

1.3.2 調節基因表達 tRF 與基因表達調控和基因沉默有關，能夠在轉錄和翻譯水平上調節遺傳信息的表達。tRF可以通過結合Ago蛋白通過代謝轉錄因子沉默基因［22］。精子中由tRNAGly-GCC 產生的tRF-5抑制了與胚胎干細胞相關的基因表達［23］。

1.3.3 調節細胞活動 有研究表明，tRF-1001 的敲低使細胞增殖受損，細胞在G2期中特異性積累，進而影響細胞活動［24］。Saikia 等［25］研究發現，tiRNA 的積累伴隨著小鼠胚胎成纖維細胞的存活增加。5'-tRNAGln 片段介導TRMT10A（一種tRNA 甲基轉移酶）缺陷誘導β細胞死亡［2］。

1.3.4 參與免疫調節 在急性炎癥階段，血循環中tRF 水平迅速增加，表明tRF 可能在免疫反應中起重要作用［26］。在單核細胞成熟為樹突狀細胞期間，來自tRNAGlu 的tRF-5 可 與Ago 樣 蛋 白PIWIL4 和PI?WIL1 相互作用形成復合物，該復合物使CD1A 的轉錄被顯著抑制［27］。來自亞砷酸鹽處理細胞的tRF 被證明在亞砷酸鹽誘導的p65 活化和IL-8 產生中發揮作用［28］。另外在對tRNA 的免疫原性和Toll 樣受體（Toll like receptors，TLRs）對tRNA 的識別中發現，TLR3 可以顯著識別tRNAAla 的3'CCACCA 序列，該序列和TLR3相互作用以激活Th1和毒性T淋巴細胞的免疫應答［29］。

2 tRF & tiRNA在不同腫瘤中的研究進展

2.1 tRF&tiRNA與乳腺癌

Dhahbi等［30］研究發現，乳腺癌的診斷與tRNA特定亞型水平的變化有關。低氧條件下，來自tRNAGlu、tRNAAsp、tRNAGly和tRNATyr的tRF在乳腺癌細胞系中上調，tRF取代來自致癌RNA結合蛋白YBX1的致癌轉錄物，從而抑制了轉移進展［31］。Honda等［32］研究發現，一種tRNA衍生的小RNA，被稱為性激素依賴性tRNA衍生的RNA（sex hormone-dependent tRNA-derived RNAs，SHOT-RNAs），其在雌激素受體（estrogen receptor，ER）陽性乳腺癌細胞系中特異性和豐富地表達。Sun等［33］檢測了正常乳腺上皮細胞系、曲妥珠單抗敏感和抗性乳腺癌細胞系中tRNA衍生片段的表達水平，結果顯示tRNA衍生的片段在不同細胞系中差異表達，tRF-30-JZOYJE22RR33和tRF-27-ZDXPHO53KSN的過表達可視為乳腺癌無進展生存期（progression-free survival，PFS）的獨立預測因子。研究表明，低氧處理的三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）細胞系中tDR-0009（衍生自tRNAGly-GCC-1-1）和tDR-7336（衍生自tRNA Gly-GCC-1-2）顯著上調，兩種上調的tDR主要參與維持干細胞群和細胞對白細胞介素（interleukin，IL）-6的反應，可能是促進TNBC中阿霉素耐藥的機制［34］。研究表明，TNBC 中tRNAHis-GTG、tRNAGln-TTG 和tRNAGln-CTG的豐度較正常乳腺顯著降低，來自特定tRNA基因座（如核tRNAGly和tRNALeu，線粒體tRNAVal和tRNAPro）與TNBC種族差異密切相關［35］。

2.2 tRF&tiRNA與前列腺癌

與前列腺癌（prostate cancer，PCa）相比，淋巴結轉移前列腺癌（lymph node-positive PCa，LN-PCa）中tRNA 衍生片段的表達增加超過20%，其可能機制是由 于LN-PCa 中tRNA 的不同衍生過程所致［36］。Olvedy 等［37］研究發現，與正常前列腺組織相比，前列腺癌組織中有598 個tRF 失調，tRF-315（衍生自tRNALys-CTT）/tRF-544（衍生自tRNAPhe-GAA）比值可能為前列腺癌進展的臨床生物標志物。Magee等［38］在分析前列腺癌數據集時發現了大量與前列腺癌有關的tRF，并且不同種族患者tRF表達不同。

2.3 tRF&tiRNA與其他腫瘤

tRF/miR-1280 通過抑制Notch 信號轉導途徑抑制人結直腸癌（colorectal cancer，CRC）的細胞增殖和腫瘤生長［39］。ts-53和ts-101在結腸腺瘤向結腸腺癌轉化的初始階段發揮作用，而ts-36可能在結腸細胞的惡性轉化的最后階段中發揮作用［9］。在CRC 患者中，5'-tiRNA表達更高，并與腫瘤轉移相關［14］。

在NSCLC 腫瘤組織和細胞系中tRFLeu-CAG 水平上調，tRFLeu-CAG 在Ⅲ、Ⅳ期患者中表達上調，并且與疾病的發展階段有關［40］。卵巢癌細胞中的tRNAGlu-CTC 能夠抑制乳腺癌抗雌激素耐藥性3（breast cancer anti-estrogen resistance 3，BCAR3）表達，抑制卵巢癌細胞增殖［41］。在透明細胞腎細胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）中，tRFVal-AAC 顯著下降，tRFVal-AAC 水平與腫瘤分期和分級呈負相關［42］。在骨髓增生異常綜合征（myelodysplas?tic syndromes，MDS）中，治療前樣品中tRF 的表達可以預測DNA 甲基轉移酶抑制劑（DNA methyltransfer?ase inhibitors，DNMTI）治療的反應［43］。與從未進展為急性髓系白血?。╝cute myeloid leukemia，AML）的MDS 患者相比，后來發展為AML 的MDS 患者中tRFAsp 表達顯著降低，可能為預測由MDS 進展為AML的生物標志物［44］。

3 展望

tRF&tiRNA組織特異性、高度豐富而穩定、廣泛存在的特征使其能夠在多種腫瘤樣本中檢測到，在新型生物標志物的探索和開發上具有巨大優勢。盡管tRF&tiRNA 研究取得了一些重要進展，并成為一個新的熱點，然而tRF & tiRNA 研究仍處于早期階段，并存在許多需要解決的問題。1）tRF&tiRNA 參與調控翻譯、調節細胞增殖與凋亡等方式在人類腫瘤中具有重要作用，但迄今為止，大多數tRF&tiRNA生物發生機制尚未明確；2）組成tRNA 核苷酸含有大量修飾，但tRNA 修飾的改變與功能的潛在關系仍未明確，探索tRNA 堿基修飾更具體的信息顯得尤為重要；3）tRF & tiRNA 的生物發生過程尚未清晰，Dicer是否參與tRF 的生物發生存在爭議，ANG 介導的tiR?NA 產生過程及調節機制仍未完全理解；4）目前研究仍局限在少數特定的tRF&tiRNA，tRF&tiRNA是否在所有組織樣本中特異性表達仍需進一步的實驗驗證。tRF&tiRNA重要的生物學功能預示著其在腫瘤診斷和治療策略中具有巨大潛力和應用前景，tRF&tiRNA有望成為腫瘤治療的新方向。