中国为人口大国, 约占全球24%新发癌症病例和30%癌症死亡病例^[1]。因此, 亟需对中国常见癌症发生、发展分子机制开展深入的研究。自从在秀丽隐杆线虫中发现第一个小RNA(lin-4)后, 非编码RNAs的研究不断涌现^[2], 特别是其在多种癌症中的差异性表达受到广泛关注。转运RNA衍生的小RNAs (transfer RNA-derived small RNAs, tsRNAs)为来源于转运RNA(transfer RNA, tRNA)的一类新兴的非编码单链RNAs, 目前已有研究发现, tsRNAs的表达变化与肿瘤的发生、发展、转移以及预防密切相关^[3]。本文旨在对tsRNAs与常见肿瘤发生发展关系问题进行综述。

1.   tsRNAs的来源、类型及生物学作用

1.1   tsRNAs的来源和类型

tRNA是将核酸的遗传信息翻译成蛋白质一级结构的关键性生物大分子化合物, 具有典型的三叶草型二级结构, 包括氨基酸接受臂、D环、TψC环、反密码子环与可变环。tRNA在不同内切酶的作用下, 产生不同类型的tsRNAs。根据来源不同, 主要分为两种类型:tRFs和tRNA半分子(tiRNAs), 其中tRFs可分为tRF-1、tRF-2、tRF-3、tRF-5和内源性tRF(inter tRF, i-tRF)5类^[4-6]。tRF-1由前体-tRNA的3'末端经核酸内切酶RNase Z或ELAC2切割产生, 含有特征性的3'端多聚μ残基^[7]; tRF-2是近年来在tRNAGlu、tRNAAsp、tRNAGly和tRNATyr中新发现的, 仅包含反密码子茎和环, 通常在低氧条件下产生^[2]; tRF-3是由Dicer、血管生成素(angiogenin, ANG)或其他核糖核酸酶在成熟tRNA的TψC环上切割而成, 其末端均含有特异性的CCA结构^{[3, 8]}; tRF-5由成熟tRNA的D环或D环与反密码子环之间裂解产生^[9]; i-tRF来自成熟tRNA的内部区域, 包括反密码子环和部分D-环和T-环^[3]。tiRNA一般是低氧、饥饿等应激条件下产生的, 哺乳动物中由成熟tRNA的反密码子环经ANG剪切形成, 酵母细胞中由Rny1p剪切形成, 约31~ 40 nts, 分为5'tiRNA和3'tiRNA^[10]。

1.2   tsRNAs的生物学作用

tsRNAs来源于非编码RNA家族, 在生物界中广泛存在, 参与调节细胞周期、转录及翻译、病毒复制、细胞凋亡等多种生物过程^[11]。异常表达的tsRNAs可以通过不同机制在癌症中扮演抑癌基因或癌基因的角色。调控细胞增殖和细胞周期进展方面:有研究发现tRFLeuCAG可通过调节激酶的活性, 从而促进癌细胞G0/G1期细胞周期的进展^[12]; tRF-1001参与诱导细胞周期从G2期细胞转变为M期, 从而促进癌细胞增殖^[13]。基因表达调控方面:依赖Dincer的tRFs, 尤其是与AGO蛋白(ar-gonaute proteins, AGO)结合较弱的5'tRF可通过3'末端保守的"GG"二核苷酸相互作用, 抑制起始复合物从而抑制蛋白质的整体合成^[14]; 也有研究发现, 部分tsRNA可通过竞争性与RNA结合蛋白YBX1(Y-box binding protein 1, YBX1)结合取代致癌转录物, 抑制癌基因的表达^[15]; 此外, tsRNAs还可以通过miRNA的方式调控基因表达。CU1276可作为一种miRNA参与抑制B淋巴瘤细胞增殖, 并调节DNA损伤反应^[16]; 不依赖Dincer的tRF-5和tRF-3能与RNA沉默复合物(RNA-induced silencing complex, RISC)的效应分子AGO蛋白(GW182/TNRC6蛋白)结合, 通过与3'非翻译区(3'untranslated region, 3'UTR)互补结合, 在转录后水平调控基因表达。tRFs这种能以类似miRNA的序列特异性方式调节生物学进程, 进一步扩展了tRFs的调控谱, 增加影响肿瘤细胞增殖和细胞周期的能力^[17-18]。病毒复制方面, tsRNAs可以作为病毒RNA逆转录的指导RNA。如宿主细胞中的tRF-3019可与人T细胞白血病病毒1型(human T-cell leu-kemia virus type 1, HTLV-1)的RNA引物结合位点(primer binding site, PBS)结合, 从而启动逆转录, 促进病毒的合成^[19]。此外, 应激状态下ANG诱导产生的tiRNAs, 不仅可刺激血管内皮细胞参与肿瘤血管生成, 还参与核糖体RNA的生物发生, 满足癌细胞持续生长所需的高代谢要求。目前, 已在在多种动物模型中发现ANG抑制剂可以抑制癌症进展^[20]。

2.   tsRNAs在癌症中的研究进展

2.1   tsRNAs与非小细胞肺癌的关系

非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)为最常见的恶性肿瘤之一, 5年生存率仅为15%^[22]。Shao等^[12]观察到tRFLeuCAG在NSCLC组织细胞中的表达明显高于正常组织, 并与癌症分期呈正相关, 尤其在NSCLC Ⅳ期特异性极高, 具有作为NSCLC Ⅳ期患者的诊断标志物的潜力。用tRFLeuCAG抑制剂转染H1299细胞, H1299细胞停留在G0/G1期, 细胞增殖能力逐步下降, 反向证实了tRFLeuCAG有加速NSCLC进程的作用。此外, 通过培养转染tRFLeuCAG抑制剂的H1299细胞发现, 极光激酶A(aurora kinases A, AURKA)的表达也显著下调, AURKA是一种蛋白激酶, 在有丝分裂中发挥重要作用^[12]。由此可见, tRFLeuCAG可能是通过激活AURKA的活性, 从而加速癌细胞的G0/G1细胞周期的进展, 进一步说明了tRFLeuCAG很有可能成为NSCLC新的诊断标记物和潜在治疗靶点。

2.2   tsRNAs与乳腺癌的关系

乳腺癌(brest cancer, BC)是女性常见的恶性肿瘤。有研究发现, 缺氧时诱导产生的tRFs通过转录后调控机制可能有抑制乳腺癌进展的作用。目前, 已知的该类tRFs主要来自tRNAGlu、tRNAAsp和tRNAGly, 其在应激条件下通过与致癌转录本竞争性结合YBX1, 取代内源性致癌基因, 拮抗YBX1的活性, 从而抑制肿瘤的转移^[15]。YBX1是一种多功能RNA结合蛋白, 在多种肿瘤中高表达, 可结合体内多种转录本, 稳定致癌基因并介导其表达增强, 加快肿瘤发展进程^[23]。其与tRFs的相互作用具有特异性, 在缺氧条件下增强, 而高转移性的乳腺癌细胞通过减弱该类tRFs的诱导来逃避这种肿瘤抑制途径。此外, TRFs还能以依赖YBX1的方式干扰翻译起始因子EIF4G来抑制翻译^[15], 从而抑制癌蛋白的表达。

三阴性乳腺癌(triple-negative breast cancer, TNBC)为乳腺癌最具有侵袭性的亚型^[24]。Telonis等^[25]研究发现, tRFs在TNBC中存在差异性表达, 该类tRFs大多来自核tRNAGlyGCC、tRNAHisGTG和线粒体tRNAValTAC, 在特定的生物背景下可加载到AGO蛋白上, 通过RNA干扰途径直接靶向mRNAs, 破坏乳房正常的分子生物学指标, 导致肿瘤相关蛋白显著上调; 此外, tRFs还可通过诱捕RNA结合蛋白直接调控mRNA丰度, 破坏mRNA与tRFs的协同关联, 从而影响了转移相关性MAPK和Wnt/β-catenin信号通路, 增加了肿瘤转移的可能性, 有成为TNBC潜在的诊断标志物和治疗靶点的潜力。但tRFs在不同性别、组织、或种族的个体中, 其表达丰度不同, 尤其是i-tRFs, 在TNBC中的表达具有明显的组织特异性和种族特异性^[25-26], 但其临床应用价值尚待进一步研究证实。

2.3   tsRNAs与结直肠癌的关系

结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是癌症相关死亡的第三大原因^[22]。有研究发现, tRF/miR-1280通过靶向抑制JAG2调控Notch通路, 降低转录因子Ga-ta(主要是Gata1)的表达水平, 从而使miR-200b表达上调, 抑制肿瘤上皮间充质转化, 从而抑制癌细胞的增殖及转移^[27]。JAG2是与细胞增殖、细胞周期、迁移、黏附、侵袭、凋亡和细胞分化相关的基因, 可通过调节癌细胞的自我更新促进癌症转移^[28]。Notch信号通路在细胞发育过程中控制细胞命运和信号整合, 与肿瘤干细胞的自我更新、增殖和干细胞样表型等多种特征密切相关; 可见, tRF/miR-1280是CRC细胞Notch信号通路的主要调控因子, 也是CRC肿瘤干细胞生长和功能的重要调控因子, 将tRF/miR-1280引入癌细胞可能是逆转肿瘤进展的一种新方法^[27]。

2.4   tsRNAs与前列腺癌的关系

前列腺癌(prostate cancer, PCa)为常见的男性泌尿系统恶性肿瘤。有研究表明, tRFs与PCa的发生、发展有关^[29]。在饥饿、氧化等应激条件下, tRFs显著上调, 促进应激颗粒组装, 通过负调控mTORC1过度活化诱导的细胞凋亡而在PCa发展中发挥重要作用^[30]。通过分析不同级别PCa中tRFs的差异性表达发现, tRF-544在高级别(格里森评分≥ 7)肿瘤组中表达较低, 复发性患者tRF-544持续下调, 而tRF-315在复发性疾病中有明显的上调趋势, 在高级别肿瘤中表达更高。提示tRF-315和tRF-544的表达率可以有效区分高、低级别前列腺癌, 并可为复发性侵袭性前列腺癌的早期检测提供了新的候选生物标志物^[30]。此外, Honda等^[31]观察到在雄激素受体阳性的PCa中, tiRNAs以性激素依赖的方式大量表达, 5'-tiRNAAspGUC和5'-tiRNAHisGUG的水平显著升高, 而在无雄激素培养的PCa细胞系中, 5'tiRNAs的含量降低, 同时, 敲除5'tiRNAs会阻碍癌细胞的生长, 这说明5'tiRNAs是激素依赖性前列腺癌细胞增殖的一大重要影响因素。

2.5   tsRNAs与肝癌的关系

众所周知, 病毒感染在肝癌发病中起重要作用, 其中最常见的是慢性乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)或丙型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV)^[1]; 有证据显示, tRF U3家族中, 具有3'U尾的tRF有显著抑制HCV-IRES(internal ribosome entry site, IRES)介导的翻译作用, 降低HCV-RNA的滴度, 调控病毒基因表达^[32]。此外, 有研究发现, LeuCAG3'tsRNA在肝癌中表达上调, 在体外和小鼠原位肝细胞癌模型中, 抑制LeuCAG3' tsRNA的表达可以诱导癌细胞凋亡^[21]; Kim等^[21]进一步研究显示, LeuCAG3'tsRNA敲低的表型效应是由于特异性小核糖体蛋白RPS28表达降低, 进而破坏18S rRNA成熟并最终诱导细胞凋亡, 从而抑制肿瘤细胞的生长, 在肝癌进程中发挥重要作用。

2.6   tsRNAs与胃癌的关系

近期一项研究发现, 胃癌(gastric cancer, GC)患者的癌组织及血浆中也存在tRFs和tiRNAs的异常表达^[33]。目前, 暂无胃癌方面的详细报道, 进一步探索特异性胃癌相关的tsRNAs, 完善其影响胃癌发生发展的作用机制, 将给胃癌的诊疗带来重大突破。

3.   展望

tsRNAs是在特定条件下产生的功能性调控分子, 在肺癌、乳腺癌、结直肠癌、肝癌和前列腺癌等多种肿瘤中存在异常表达, 并且在一定程度上影响肿瘤发展进程。目前, 其生物发生机制及临床价值尚未明确:tsRNAs是在特定条件下产生的, 其具体的机制尚未清晰, 关于tsRNAs分类尚无统一标准, tsRNAs在一定程度上影响肿瘤进程, 但是否可以作为特异性肿瘤标记物或治疗靶点还需深入研究其靶标、上游分子及下游分子之间的调控网络, 并对其进行技术干预或药物干预等相关研究; tRFs在不同性别、组织、或种族的个体中, 其表达丰度亦大不相同, 这其中是否有特异性关联尚待进一步研究确认。综上所述, tsRNAs在肿瘤中的异常表达, 使其在肿瘤的发生发展中发挥重要的调节作用, 为肿瘤的诊断、治疗及预防开辟新方向。