tRNA衍生片段在肿瘤中的研究进展*

周永强 吴永娜 李汛③④

生物标志物对于肿瘤的诊断、治疗和预测复发具有重要意义，其有助于早期发现肿瘤并指导肿瘤靶向治疗的选择。近年来，深度基因测序技术的发展使得检测和研究小非编码RNA（small non-coding RNA，sncRNA）成为可能，转运RNA（transfer RNA，tRNA）由于其在基因转录调控中的特殊生物学功能成为肿瘤和多种人类疾病的研究焦点［1］。根据tRNA不同的切割位点，tRNA 衍生片段可分为两种主要类型：tRF（tRNA-derived small RNA fragments）和tiRNA（tRNA halves）。已在多种人类疾病中观察到异常表达的tRF&tiRNA，包括肿瘤、神经退行性疾病、代谢性疾病和传染病等，尚待确定这些tRF&tiRNA 是否和疾病的发病机制相关，但其为探索和开发新的生物标志物提供了新的视角，tRF&tiRNA 可能是肿瘤治疗的新靶点。

1 tRF & tiRNA概述

1.1 tRNA的来源和结构

未成熟tRNA 通过RNA 聚合酶Ⅲ转录为前体分子（precursor tRNA，pre-tRNA），pre-tRNA 通过向3'末端和特定5'末端添加核苷酸，剪接反应切除内含子等步骤产生成熟tRNA［2］。组成tRNA 的核苷经常被修饰，使被修饰的核苷具有tRNA 鉴别、翻译保真度、tRNA 质量控制等功能。tRNA 具有保守的三叶草二级结构，由D-环、反密码子环、可变环、TψC 环组成（图1）。成熟tRNA 或pre-tRNA 不同位点的特异性切割形成两组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］。

图1 tRNA衍生片段的来源及不同亚类

1.1.1 tRF 的来源及不同亚类 tRF 为衍生自成熟tRNA 和pre-tRNA 的小RNA 片段，根据来源可分为tRF-5，衍生自成熟tRNA 的D 环；tRF-3 衍生自成熟tRNA 的TψC 环；tRF-1 通过切割pre-tRNA 的3'末端产生；i-tRF 来源于成熟tRNA 内部结构域的切割［4］。有研究表明，tRF-5和tRF-3通过Dicer依赖性途径产生［5］，然而也有报道表明，tRF-5和tRF-3的生物发生不依赖Dicer途径［6］。tRF-5和tRF-3可以与Ago蛋白（Argonaute proteins，Ago）和Piwi 蛋白（PIWI proteins）相互作用，调控转录前与转录后基因表达水平［7］。tRF-1通过核酸内切酶Z（endonuclease Z，RNase Z）途径发生［8］，tRF-1不与任何Ago蛋白结合。i-tRF可在成熟tRNA 内部的任何位置，但不跨越5'或3'末端。i-tRF的生物发生和功能仍需要进一步研究。

1.1.2 tiRNA 的来源及不同亚类 tRNA 半（tiRNA）通过在成熟tRNA 反密码子环中特异性切割产生，主要类型有tiRNA-5 和tiRNA-3。tiRNA 在氨基酸缺乏、磷酸盐饥饿、紫外线辐射、热休克、缺氧、氧化损伤和病毒感染等应激条件下产生［9］。血管生成素酶（angiogenin，ANG）主要参与哺乳动物中tiRNA 的形成，ANG 介导产生的tiRNA 受到精确调节［10］。ANG通过将tRNA切割成tiRNA激活其细胞保护应激反应程序。

1.2 tRF&tiRNA的特征

tRF为血清中最丰富的小非编码RNA［11］。tRF在包括果蝇、酵母、真菌到哺乳动物等多种生物中表达，但并非所有tRNA 都产生tRF，并且不同系列的tRF 表达不均匀。tRNA 以组织特异性方式表达，tRNA 片段的长度，起点和终点以及相对丰度取决于性别、种群以及组织、疾病和疾病亚型［12］。不同生物流体（包括唾液、血清、羊水、精液、尿液和胆汁等）中tRF&tiRNA的表达存在较大差异［13］。

tRF & tiRNA 具有修饰不易降解，所以比线性RNA 更为稳定［14］，但不同片段间的稳定性可能是不对称的。

1.3 tRF&tiRNA的生物学功能

tRF & tiRNA 与microRNA（miRNA）具有相似的功能［15］，如来自非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）细胞中tRNALeu-CAG 的3-tRF 具有miRNA 样结构和功能，抑制蛋白质翻译［16］。miR-1280、miR-1274a/b 和miR-886-5 的序列与tRNALeu的3'末端，tRNALys 的3'末端和tRNAAla 的5'末端一致［17］。tRF-5 和tRF-3 的特定区域可以形成tRFmiRNA 嵌合体［18］。上述研究表明，tRF&tiRNA 可以通过与miRNA相似的方式发挥生物学功能（图2）。

图2 tRNA衍生片段的功能

1.3.1 调节翻译 将天然存在的5'-tiRNA转染到人成骨细胞系U2OS 中，发现翻译被抑制［19］。选择的tiRNA-5s（5'-tiRNAAla和5'-tiRNACys），能够与翻译起始复合物中的eIF4G/eIF4A 竞争性结合抑制翻译启动［20］。tRF-5 的假尿苷酸化（pseudouridylation，Ψ）也可以引导干细胞的翻译起始，导致蛋白质生物合成增加和胚层特异性缺陷［21］。

1.3.2 调节基因表达 tRF 与基因表达调控和基因沉默有关，能够在转录和翻译水平上调节遗传信息的表达。tRF可以通过结合Ago蛋白通过代谢转录因子沉默基因［22］。精子中由tRNAGly-GCC 产生的tRF-5抑制了与胚胎干细胞相关的基因表达［23］。

1.3.3 调节细胞活动 有研究表明，tRF-1001 的敲低使细胞增殖受损，细胞在G2期中特异性积累，进而影响细胞活动［24］。Saikia 等［25］研究发现，tiRNA 的积累伴随着小鼠胚胎成纤维细胞的存活增加。5'-tRNAGln 片段介导TRMT10A（一种tRNA 甲基转移酶）缺陷诱导β细胞死亡［2］。

1.3.4 参与免疫调节 在急性炎症阶段，血循环中tRF 水平迅速增加，表明tRF 可能在免疫反应中起重要作用［26］。在单核细胞成熟为树突状细胞期间，来自tRNAGlu 的tRF-5 可 与Ago 样 蛋 白PIWIL4 和PI⁃WIL1 相互作用形成复合物，该复合物使CD1A 的转录被显著抑制［27］。来自亚砷酸盐处理细胞的tRF 被证明在亚砷酸盐诱导的p65 活化和IL-8 产生中发挥作用［28］。另外在对tRNA 的免疫原性和Toll 样受体（Toll like receptors，TLRs）对tRNA 的识别中发现，TLR3 可以显著识别tRNAAla 的3'CCACCA 序列，该序列和TLR3相互作用以激活Th1和毒性T淋巴细胞的免疫应答［29］。

2 tRF & tiRNA在不同肿瘤中的研究进展

2.1 tRF&tiRNA与乳腺癌

Dhahbi等［30］研究发现，乳腺癌的诊断与tRNA特定亚型水平的变化有关。低氧条件下，来自tRNAGlu、tRNAAsp、tRNAGly和tRNATyr的tRF在乳腺癌细胞系中上调，tRF取代来自致癌RNA结合蛋白YBX1的致癌转录物，从而抑制了转移进展［31］。Honda等［32］研究发现，一种tRNA衍生的小RNA，被称为性激素依赖性tRNA衍生的RNA（sex hormone-dependent tRNA-derived RNAs，SHOT-RNAs），其在雌激素受体（estrogen receptor，ER）阳性乳腺癌细胞系中特异性和丰富地表达。Sun等［33］检测了正常乳腺上皮细胞系、曲妥珠单抗敏感和抗性乳腺癌细胞系中tRNA衍生片段的表达水平，结果显示tRNA衍生的片段在不同细胞系中差异表达，tRF-30-JZOYJE22RR33和tRF-27-ZDXPHO53KSN的过表达可视为乳腺癌无进展生存期（progression-free survival，PFS）的独立预测因子。研究表明，低氧处理的三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）细胞系中tDR-0009（衍生自tRNAGly-GCC-1-1）和tDR-7336（衍生自tRNA Gly-GCC-1-2）显著上调，两种上调的tDR主要参与维持干细胞群和细胞对白细胞介素（interleukin，IL）-6的反应，可能是促进TNBC中阿霉素耐药的机制［34］。研究表明，TNBC 中tRNAHis-GTG、tRNAGln-TTG 和tRNAGln-CTG的丰度较正常乳腺显著降低，来自特定tRNA基因座（如核tRNAGly和tRNALeu，线粒体tRNAVal和tRNAPro）与TNBC种族差异密切相关［35］。

2.2 tRF&tiRNA与前列腺癌

与前列腺癌（prostate cancer，PCa）相比，淋巴结转移前列腺癌（lymph node-positive PCa，LN-PCa）中tRNA 衍生片段的表达增加超过20%，其可能机制是由 于LN-PCa 中tRNA 的不同衍生过程所致［36］。Olvedy 等［37］研究发现，与正常前列腺组织相比，前列腺癌组织中有598 个tRF 失调，tRF-315（衍生自tRNALys-CTT）/tRF-544（衍生自tRNAPhe-GAA）比值可能为前列腺癌进展的临床生物标志物。Magee等［38］在分析前列腺癌数据集时发现了大量与前列腺癌有关的tRF，并且不同种族患者tRF表达不同。

2.3 tRF&tiRNA与其他肿瘤

tRF/miR-1280 通过抑制Notch 信号转导途径抑制人结直肠癌（colorectal cancer，CRC）的细胞增殖和肿瘤生长［39］。ts-53和ts-101在结肠腺瘤向结肠腺癌转化的初始阶段发挥作用，而ts-36可能在结肠细胞的恶性转化的最后阶段中发挥作用［9］。在CRC 患者中，5'-tiRNA表达更高，并与肿瘤转移相关［14］。

在NSCLC 肿瘤组织和细胞系中tRFLeu-CAG 水平上调，tRFLeu-CAG 在Ⅲ、Ⅳ期患者中表达上调，并且与疾病的发展阶段有关［40］。卵巢癌细胞中的tRNAGlu-CTC 能够抑制乳腺癌抗雌激素耐药性3（breast cancer anti-estrogen resistance 3，BCAR3）表达，抑制卵巢癌细胞增殖［41］。在透明细胞肾细胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）中，tRFVal-AAC 显著下降，tRFVal-AAC 水平与肿瘤分期和分级呈负相关［42］。在骨髓增生异常综合征（myelodysplas⁃tic syndromes，MDS）中，治疗前样品中tRF 的表达可以预测DNA 甲基转移酶抑制剂（DNA methyltransfer⁃ase inhibitors，DNMTI）治疗的反应［43］。与从未进展为急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）的MDS 患者相比，后来发展为AML 的MDS 患者中tRFAsp 表达显著降低，可能为预测由MDS 进展为AML的生物标志物［44］。

3 展望

tRF&tiRNA组织特异性、高度丰富而稳定、广泛存在的特征使其能够在多种肿瘤样本中检测到，在新型生物标志物的探索和开发上具有巨大优势。尽管tRF&tiRNA 研究取得了一些重要进展，并成为一个新的热点，然而tRF & tiRNA 研究仍处于早期阶段，并存在许多需要解决的问题。1）tRF&tiRNA 参与调控翻译、调节细胞增殖与凋亡等方式在人类肿瘤中具有重要作用，但迄今为止，大多数tRF&tiRNA生物发生机制尚未明确；2）组成tRNA 核苷酸含有大量修饰，但tRNA 修饰的改变与功能的潜在关系仍未明确，探索tRNA 碱基修饰更具体的信息显得尤为重要；3）tRF & tiRNA 的生物发生过程尚未清晰，Dicer是否参与tRF 的生物发生存在争议，ANG 介导的tiR⁃NA 产生过程及调节机制仍未完全理解；4）目前研究仍局限在少数特定的tRF&tiRNA，tRF&tiRNA是否在所有组织样本中特异性表达仍需进一步的实验验证。tRF&tiRNA重要的生物学功能预示着其在肿瘤诊断和治疗策略中具有巨大潜力和应用前景，tRF&tiRNA有望成为肿瘤治疗的新方向。