PIWI相互作用的RNA (Piwi-interacting RNA, piRNA)与肿瘤

吴茹嘎，陈新华，王玲，武颍彩，陈苗

（1.内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特；2. 内蒙古医科大学附属人民医院，内蒙古 呼和浩特）

1 介绍

非编码小RNA(non-coding RNA, ncRNA)主要分为siRNA(small interfering RNA)、miRNA(microRNA)和piRNA(piwi-interacting RNA)三类，大量的研究已经证明了非编码RNA（ncRNA）在介导人类癌变中的关键作用[1]。近年来，致癌作用与小的非编码调节RNA之间的关联颇为引起研究人员的关注[2-4]。其中，最广泛研究的小型非编码调控RNA是miRNA，根据其靶基因的功能可以作为癌基因或肿瘤抑制因子[5-7]。并且研究已经证实一些 miRNA的上调或下调可能导致人类癌症发生与进展[8,9]。而PIWI-相互作用RNA(PiRNA)是一种大小为24～31nt的新型RNA，其长度明显长于大小为21～23 nt的siRNAs或miRNAs。与miRNAs不同，piRNA在 3’-末端是 2’-O-甲基化的[10]，推测可能对piRNA的稳定性及功能至关重要。piRNA通过与piwi蛋白的特异性结合发挥其生物学作用[11,12]。之前的研究证实了piRNA也可以发挥与miRNAs相似的作用，在多种癌症中充当癌基因或肿瘤抑制因子[13]，尽管如此，这仍然是一项相当新的知识，人们对piRNA的表达模式及其在人类癌症中的特定功能仍然知之甚少，使其成为研究调查的一个重要领域。在这篇综述文章中，我们将讨论piRNA的疾病相关生物学功能，为未来的piRNA研究领域提供一些新的见解。

2 piRNA的生物发生

为了更好地理解piRNA的临床作用，首先简要讨论其生物起源途径。piRNA的前体是单链转录物，通常由含有重复元件的特定基因组位置产生，该过程通常通过Dicer非依赖性途径进行编排。新生的piRNA在成为成熟的piRNA之前需要额外的转录后修饰。

piRNA的生物发生包括2个主要途径：初级扩增和次级生成-通常也称为“乒乓模型”(ping-pong model) 。piRNA衍生自相对少量的基因组区域，称为piRNA簇。该簇由各种转座DNA元件组成。长的单链前体piRNA从piRNA簇转录，其具有与转座子互补的许多序列（转座子衍生的piRNA）。研究人员后来发现除了那些转座子衍生的piRNA外，一些piRNA有不同的起源。生物信息学研究表明，有三种不同的piRNA来源：转座子衍生的piRNA，蛋白质编码区衍生的piRNA和基因间区衍生的piRNA。随后将长的单链转录物通过PIWI蛋白切割成各种长度的piRNA片段，导致初级piRNA的产生[14]。在piRNA次级生成途径中，PIWI/piRNA以转座子转录本为前体，通过乒乓模型切割产生新的piRNA；在完成piRNA生物合成的同时直接切割转录本，实现了在转录后水平沉默转座子[15]。因此，研究人员通过“乒乓模型”来解释piRNAs从转录前体物中循环增生[16]。

3 PiRNA：肿瘤中的新功能和作用

piRNA特异性地与Argonuat蛋白家族中的Piwi亚家族蛋白结合，可以指导PIWI蛋白及其相关的表观遗传机制通过识别大量piRNA互补序列来编程基因组或转录组，从而导致特定靶基因的转录沉默，同时有助于维持DNA完整性，肿瘤干细胞分化，表观遗传调控与胚胎发育和疾病发生和发展[13,14,16]。

3.1 piRNA在维持肿瘤干细胞和化疗耐药中的作用

近期研究表明PIWI途径与肿瘤干细胞的维持有关[17]，piRNA和PIWI复合物的破坏可导致肿瘤细胞形成受损和化学反应性增强。例如：在宫颈癌细胞中Hiwi（人类PIWI蛋白）的过度表达可导致其化疗耐药性增加，肿瘤细胞形成以及增强体内致瘤性，并且几种干细胞相关基因也被激活[18]等。总体来说，PIWI蛋白及其相关的piRNA在维持癌细胞的干细胞特性方面发挥着至关重要的作用。因此，靶向PIWI途径可能会为临床肿瘤化疗提供更加有意义的策略。

3.2 piRNA通过沉默转座因子维持基因组完整性

多年的研究表明，piRNA对转座子转座的调控方式是多层次、多方面6的。转座子是一类可以在染色体上或不同染色体间自由移动的DNA。在高等生物中，处于活跃状态的转座子多为通过RNA中间体进行转座的逆转录转座子。由于逆转录转座子在细胞基因组中占有很高的比例，它的频繁转座能引起细胞基因组结构和功能的改变，导致癌症等严重基因疾病的发生，因此宿主细胞在长期的进化中形成了多种自我保护机制用以控制逆转录转座子活性。属于非编码小RNA的piRNA以其独特的机制在转录及转录后水平控制逆转录转座子RNA中间体的产生，抑制了逆转录转座过程的发生[19]。因此，piRNA-PIWI通路通过沉默转座子与调节基因表达而影响干细胞功能。

3.3 PiRNA通过调节DNA甲基化促进肿瘤发生

DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，DNMT)的催化下，将S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)的甲基转移到特定碱基上的过程。DNMT分为两类：一类是持续性甲基转移酶DNMT 1，主要参与DNA复制过程中新合成链的甲基化；另一类是从头甲基转移酶，包括DNMT 3A和DNMT 3B，主要介导CpG位点甲基化，通过表观遗传学机制调控细胞生长分化。DNA甲基化参与了基因组印记、X染色体失活以及重复元件抑制过程，为正常发育所必需。近年来研究发现，DNA甲基化异常可导致原癌基因激活以及抑癌基因失活，从而导致癌症的发生。DNA甲基化异常是最主要的表观遗传学改变，包括总体基因的低甲基化和特定区域的高甲基化，前者可导致原癌基因激活，后者主要发生在启动子区域的Cp G岛，可导致抑癌基因失活。piRNA-PIWI通路在肿瘤干细胞(tumor stem cell，TSC)中高表达，在肿瘤发生发展中抑制凋亡通路、提高耐药性、扰乱miRNA系统、维持TSC的干性与过度甲基化。使用甲基化酶抑制剂与热休克蛋白90抑制剂可以抑制piRNA-PIWI通路，因此，可以说明piRNA-PIWI通路可以作为抗肿瘤治疗的新靶点。

3.4 piRNA对基因表达的转录后调控

Argonaute蛋白是小分子非编码RNA介导基因表达调控的核心组分。Argonaute蛋白可分为Ago亚家族和PIWI亚家族。miRNA/siRNA与Ago蛋白在生物体的各个组织器官广谱表达，主要在转录后水平介导基因表达调控。根据组织细胞类型和与靶mRNA配对的程度不同，miRNA/siRNA途径可以通过不同机制调控基因表达。与Ago-miRNA/siRNA途径相比，目前对PIWIpiRNA途径介导基因表达调控的机制还知之甚少[15]。予未来piRNA研究领域提供更大的空间。

4 piRNA作为肿瘤生物标志物的潜在临床应用

先前报道，piRNA-piR651在几种类型的人类癌症组织中与配对的邻近正常组织相比过度表达，包括胃癌，肺癌，间皮癌，宫颈癌，结肠癌，肝癌，乳腺癌和多发性骨髓瘤癌组织[20,21]。这些发现表明 piR651 可能在癌发生中起致癌作用。近期研究还发现，piR651可以提供改善非小细胞肺癌临床诊断和治疗的机会[13]。另外，在有关透明细胞肾癌（ccRCC）的研究中，揭示了一些可以作为预后预测因子的特定piRNA的特征。通过使用piRNA微阵列并在更大的队列中进一步确认候选piRNA，Busch等人鉴定了3种与肿瘤复发和总体存活显着相关的piRNA，分别为piR-30，924，piR-57，125和piR-38，756[22]。上述研究表明，piRNA可通过其与疾病相关生物学作用，或将成为肿瘤标志物，可能在未来也可以作为临床潜在的治疗工具。

5 结论与展望

迄今为止，piRNA因其在肿瘤生物学中的作用而被广泛研究。在这篇综述文章中，我们说明了piRNA的生物发生，生物学作用以及可能作为肿瘤生物标志物的潜在临床意义。虽然我们在文章中介绍了许多机制研究，揭示了piRNA在癌变过程中的分子功能，对piRNA的生物生成和功能已有一些假设和认识，但是该研究尚处于一个初步阶段。近年来，随着研究的不断深入，piRNA和PIWI蛋白能否成为肿瘤相关疾病的预后生物标志物也正在积极探索中，以及piRNA可以提供改善肿瘤疾病临床诊断和治疗机会等越来越多的生物学功能将被揭示。总言之，对非编码小分子RNA，尤其是对新发现的piRNA的研究，可以使人们更加深刻地了解机体较为复杂的调节机制，亦有望成为抗肿瘤治疗的新靶点，这将对未来临床医学与生物医学的发展产生至关重要的作用。