tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子-康成生物丨数谱生物

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子

tRNAs曾经被认为是高丰度的、广泛存在的、被动参与的mRNA解码器及蛋白翻译元件。通过tRNA上的反密码子与mRNA的密码子结合，搬运指定的氨基酸以完成蛋白翻译。携带同种氨基酸而反密码子不同的tRNAs被称为“isoacceptors”；携带同种氨基酸且反密码子相同，但序列不同的tRNAs则互为“isodecoders”。最新的科研进展意外地发现tRNA isoacceptors和isodecoders具有特异性的、非被动参与翻译的主动调控功能，可以显著影响生物学过程和疾病进展。此外，tRNAs在体液中高丰度存在的特点使其成为临床应用的生物标志物。深入探究tRNAs的潜在功能让这个经典的分子焕发新生。

经典教科书中的认知

最新前沿进展

l 普通的，被动参与蛋白翻译的RNA

l 高丰度，广泛存在的

l 细胞、组织、疾病和时序特异性表达

l Isoacceptors通过摆动解码效应调控翻译

l Isodecoders影响生理进程和疾病发生

l tRNAs和tRNA衍生小片段tRF&tiRNA可作为高丰度的体液检测生物标志物

细胞、组织和疾病特异性表达

tRNA isoacceptors和 isodecoders的表达谱与细胞分化和增殖密切相关(Fig.1A),在胚胎发育过程中呈现出高度的组织、细胞类型、时间和空间特异性(Fig.1B)，而且在脑、胸腺、血液、脾脏、肝脏、睾丸、卵巢和乳腺癌中有疾病特异性表达(Fig.1C)。这种表达特异性与生物学功能和病理生理学紧密关联，赋予tRNA更好的生物标志物潜力。

图1.(A)增殖和分化状态的细胞有不同的tRNA表达谱特征[1]。(B)tRNAs具有组织、器官、发育阶段特异性表达[2]。(C) tRNAs在不同人体组织和疾病中差异表达。例如骨髓瘤细胞相比于正常骨髓细胞通常具有更高的核tRNA表达[3]。

Isoacceptors的摆动解码(wobble decoding)影响蛋白翻译

携带每种氨基酸的tRNA isoacceptor家族组成了tRNA库，参考该tRNA库可以更好地研究tRNA的密码子使用偏好、蛋白翻译效率和精确性、生物学过程及其在人类疾病中的作用等。密码子可以被完全互补配对的同工反密码子解码，或者被在摆动解码位置有单碱基错配的近似同工反密码子解码。tRNA库中携带同工/近似同工反密码子tRNA的比例可被动态调控从而影响翻译效率、准确性和转录本稳定性(Fig.2)[4]。在各种条件下，tRNA库会发生改变来维持稳态或促进特定的基因表达进程[5]。Isoacceptor表达水平的紊乱可导致癌症(Fig.3A)[6]和神经退行性疾病(Fig.3B)[7]等疾病的发生。

图2.(A)当同工tRNA供应量超过蛋白翻译需求量时称为最优密码子。当同工tRNA供应不足或需要使用近似同工tRNA时称为非最优密码子。(B)最优密码子加快翻译速率并提高解码精确性。非最优密码子翻译速率慢得多但有利于蛋白正确折叠，通常发生在编码的蛋白结构域之间的连接区域。(C)经过最优密码子时更快的翻译延伸速率可保护mRNA不被降解。使用非最优密码子导致翻译速率降低、核糖体停滞、暴露的mRNA更容易降解，从而缩短mRNA半衰期。

图3.(A)过表达tRNA-Glu-UUC和tRNA-Arg-CCG可上调以它们为最优密码子的原癌蛋白EXOSC2和GRIPAP1的翻译，促进原癌基因驱动的乳腺癌侵袭过程[6]。(B) 正常供应量的tRNA-Gln-CUG可以正确翻译亨廷顿蛋白中的多聚谷氨酰胺链PolyQ重复区域，tRNA-Gln-CUG含量降低则会导致移码翻译（编码Gln的密码子CAG阅读框前移一位变为编码Ala的密码子GCA）产生错误的多聚丙氨酸链PolyA。亨廷顿蛋白中Q/A的比率决定了蛋白聚集状态（52Q正常状态，20Q/12A中间态，17A致病聚集状态）从而影响亨廷顿舞蹈症的严重程度[7]。

Isodecoders影响生物学过程和疾病发生

高度保守的tRNA isodecoder序列可呈现不同的组织特异性表达，其发挥的功能也具有明显差异。例如，小鼠的5种tRNA-Arg-UCU isodecoders只有一种在中枢神经系统(CNS)中特异性表达(Fig.4A)。它的缺失会引发mRNA上核糖体停滞，ATF4驱动的压力应激反应和广泛的神经变性(Fig.4B, C, D)。因此CNS特异性表达的isodecoder具有维持神经元细胞稳态和防止神经变性的新功能[8]。

图4. (A) CNS特异性表达以及“管家”tRNA-Arg-UCU isodecoder基因序列 (B) CNS特异性表达的isodecoder对于正常神经元的翻译顺利进行至关重要，否则，该细胞将遭受神经变性。(C) 正常野生型脑。 (D) 缺失CNS特异性tRNA-Arg-UCU isodecoder 的神经变性脑 [8].

非经典、非翻译元件的调控型tRNA功能

tRNA可以通过不直接参与蛋白翻译的方式调控细胞功能。例如，tRNA可以结合并抑制细胞色素C在凋亡过程中形成凋亡复合体 (Fig. 5)[9,10]。因此，tRNA可作为凋亡抑制因子。

图5. tRNA结合细胞色素C，抑制凋亡复合体形成，进而抑制细胞凋亡[9,10]。

在热休克、缺氧或营养剥夺等多种细胞压力下，tRNA也是最早的应答分子，通过多种调控机制关闭整个蛋白翻译(Fig. 6)[11]。

图6.响应细胞压力应激的tRNAs (A) 营养缺乏导致tRNAs从胞质重新运回胞核，使胞质中参与蛋白翻译的tRNA库耗竭; (B) tRNA 3’CCA 臂失活; (C) 缺氧诱导tRNA断裂形成tRF和tiRNA片段，抑制蛋白翻译起始。(D)在营养匮乏期间，tRNA修饰重编程促进氨基酸合成途径中蛋白质/酶的翻译[11]。

tRNA作为体液检测的生物标志物

小RNA(例如microRNA)已被广泛地用作生物标志物。由于tRNA的很多理想特征，它们现在正成为一类新型的生物标志物。它们是高丰度表达的小RNA，在某些体液样本中含量甚至高于miRNAs(Fig. 7A)[12, 13]。tRNA片段大量富集于神经元细胞外泌体中，成为仅次于rRNA的第二丰富RNA种类，含量远超miRNA (Fig. 7B)[14]。