tRNA相關(guān)研究背景介紹

A. 概述
轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（Transfer Ribonucleic Acid，tRNA）是生物體內(nèi)含量最為豐富的短鏈非編碼RNA分子。它攜帶并轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸，參與蛋白翻譯，是連接mRNA與蛋白質(zhì)的重要橋梁。盡管tRNA廣泛存在于生物體內(nèi)，但不同機(jī)體基因組對(duì)于特定密碼子的偏好性不同，從而導(dǎo)致tRNA譜的差異。密碼子偏好性會(huì)影響翻譯效率和精確性[1-3]。因此，tRNA譜的改變會(huì)對(duì)多種細(xì)胞生理過程產(chǎn)生顯著影響。Arraystar公司的nrStar™ Human tRNA Repertoire PCR Array產(chǎn)品包含66對(duì)細(xì)胞核tRNA引物和22對(duì)線粒體tRNA引物，使研究人員可以對(duì)tRNA譜進(jìn)行方便快捷的分析。這款產(chǎn)品囊括了GtRNAdb和tRNAdb所提供的所有反密碼子，是研究人類tRNA譜的強(qiáng)有力工具。

B. tRNA譜與細(xì)胞命運(yùn)
研究表明，tRNA譜的變化會(huì)影響細(xì)胞發(fā)育過程中的命運(yùn)決定。細(xì)胞增殖[4]、細(xì)胞分化[4, 5]和細(xì)胞凋亡[6]等一系列的生命活都伴隨著tRNA水平的變化。細(xì)胞維持相關(guān)基因與細(xì)胞多態(tài)性相關(guān)基因在密碼子使用上存在著明顯差異。細(xì)胞增殖和細(xì)胞分化所誘導(dǎo)的tRNA譜變化分別與細(xì)胞維持相關(guān)基因和細(xì)胞多態(tài)性基因相對(duì)應(yīng)（圖1）。另外，細(xì)胞維持相關(guān)基因mRNA在增殖細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中特異性地誘導(dǎo)表達(dá)，提示轉(zhuǎn)錄與翻譯之間存在直接的關(guān)聯(lián)性[4]。過表達(dá)起始tRNA（tRNAiMet）能夠顯著地影響對(duì)整個(gè)tRNA表達(dá)譜，并且進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞代謝能力的提升和增殖能力的加強(qiáng)[5]。tRNA還能夠影響細(xì)胞色素C介導(dǎo)的凋亡小體形成，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡過程[6]。通過體外顯微注射tRNA，研究人員發(fā)現(xiàn)tRNA能夠抑制細(xì)胞色素C介導(dǎo)的凋亡途徑[7]�？偠�言之，tRNA譜能夠以多種形式調(diào)控細(xì)胞的生理狀態(tài)。

圖1. tRNA譜與轉(zhuǎn)錄組的變化相適應(yīng)。

C. tRNA譜與疾病
    tRNA譜不僅能影響多種細(xì)胞生理狀態(tài)，而且在各類疾病發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用。比如tRNA的表達(dá)紊亂可以誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生[5]。因此，tRNA表達(dá)譜研究對(duì)于揭示人類疾病的病理機(jī)制有著重要意義。

癌癥
    Gingold等人發(fā)現(xiàn)tRNA表達(dá)譜在腫瘤細(xì)胞與分化細(xì)胞之間存在著顯著差異[4]。在分化細(xì)胞或者靜息狀態(tài)的細(xì)胞中高表達(dá)的tRNA，其表達(dá)在增殖細(xì)胞中受到抑制。反之，高表達(dá)于增殖細(xì)胞的tRNA，在分化或靜息狀態(tài)的細(xì)胞中具有較低的表達(dá)量。研究人員還發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞能夠?qū)�tRNA譜進(jìn)行調(diào)整，從而有利于自身的發(fā)生發(fā)展。通過比較乳腺癌與正常乳腺組織中的tRNA表達(dá)水平，Pavon-Eternod發(fā)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞核與線粒體中的tRNA發(fā)生了顯著改變，提示我們tRNA能夠作為乳腺癌的分子標(biāo)記物[12]。最近，Goodarzi等人也證實(shí)乳腺癌細(xì)胞在獲得轉(zhuǎn)移能力的過程中，某些特定的tRNA表達(dá)水平上升。他們認(rèn)為tRNAGlu-UUC和tRNAArg-CCG表達(dá)水平變化可能是乳腺癌轉(zhuǎn)移的誘發(fā)因素之一。進(jìn)一步的研究則表明tRNAGlu-UUC可以促進(jìn)EXOSC2和GRIPAP1的蛋白表達(dá)，從而促發(fā)腫瘤的轉(zhuǎn)移[8]。總之，tRNA的表達(dá)譜紊亂對(duì)腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響[5, 8-15]。

亨廷頓舞蹈癥
    亨廷頓舞蹈癥是一種發(fā)病率較高的遺傳性神經(jīng)退行性疾病，由亨廷頓蛋白末端多聚谷氨酰胺增多而引起。對(duì)亨廷頓舞蹈癥病人的腦部組織進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在多聚谷氨酰胺中存在多聚丙氨酸和多聚絲氨酸的蹤跡。這些多聚氨基酸，可能是由于編碼谷氨酰胺的CAG閱讀框發(fā)生移碼，產(chǎn)生編碼丙氨酸的GCA閱讀框或者編碼絲氨酸的AGC閱讀框。Girstmair等人發(fā)現(xiàn)，tRNAGln-CUG表達(dá)不足是誘發(fā)移碼翻譯錯(cuò)誤的關(guān)鍵所在。另外，谷氨酰胺與丙氨酸的比例會(huì)影響移碼翻譯蛋白的形態(tài)。這些結(jié)果表明tRNA的表達(dá)紊亂及其導(dǎo)致的移碼翻譯可能與亨廷頓舞蹈癥的發(fā)生以及疾病個(gè)體異質(zhì)性有關(guān)[16]。

病毒感染
    眾所周知，病毒蛋白質(zhì)合成完全依賴于宿主的翻譯體系，包括tRNA庫的使用。因此一般認(rèn)為，病毒選擇性地適應(yīng)宿主細(xì)胞的tRNA庫。由于宿主密碼子的使用情況決定了宿主的tRNA庫，病毒蛋白合成只有在使用與宿主基因高度相似的密碼子時(shí)，才具有高翻譯效率。然而，在很多情況下，病毒基因的密碼子使用并不與宿主基因相匹配。Pavon-Eternod發(fā)現(xiàn)甲型流感病毒（influenza A）和牛痘病毒（vaccinia virus）能夠調(diào)整被感染宿主的tRNA庫來適應(yīng)它們自身基因的翻譯[17]。還有研究表明，艾滋病病毒（HIV-1）早期基因與宿主基因的密碼子使用高度相似，而艾滋病病毒的晚期基因則非如此。病毒感染后期，宿主tRNA庫更適用于艾滋病病毒的蛋白翻譯[18]。因此，病毒能夠調(diào)整宿主tRNA庫，以此來適應(yīng)自身蛋白質(zhì)合成的需求。

參考文獻(xiàn)  
[1] Drummond DA, Wilke CO. Mistranslation-induced protein misfolding as a dominant constraint on coding-sequence evolution. Cell 2008;134:341-52.
[2] Plotkin JB, Kudla G. Synonymous but not the same: the causes and consequences of codon bias. Nature reviews Genetics 2011;12:32-42.
[3] Shah P, Gilchrist MA. Explaining complex codon usage patterns with selection for translational efficiency, mutation bias, and genetic drift. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2011;108:10231-6.
[4] Gingold H, Tehler D, Christoffersen NR, Nielsen MM, Asmar F, Kooistra SM, et al. A dual program for translation regulation in cellular proliferation and differentiation. Cell 2014;158:1281-92.
[5] Pavon-Eternod M, Gomes S, Rosner MR, Pan T. Overexpression of initiator methionine tRNA leads to global reprogramming of tRNA expression and increased proliferation in human epithelial cells. Rna 2013;19:461-6.
[6] Mei Y, Stonestrom A, Hou YM, Yang X. Apoptotic regulation and tRNA. Protein & cell 2010;1:795-801.
[7] Mei Y, Yong J, Liu H, Shi Y, Meinkoth J, Dreyfuss G, et al. tRNA binds to cytochrome c and inhibits caspase activation. Molecular cell 2010;37:668-78.
[8] Goodarzi H, Nguyen HC, Zhang S, Dill BD, Molina H, Tavazoie SF. Modulated Expression of Specific tRNAs Drives Gene Expression and Cancer Progression. Cell 2016;165:1416-27.
[9] Berns A. A tRNA with oncogenic capacity. Cell 2008;133:29-30.
[10] Waldman YY, Tuller T, Sharan R, Ruppin E. TP53 cancerous mutations exhibit selection for translation efficiency. Cancer research 2009;69:8807-13.
[11] Kushner JP, Boll D, Quagliana J, Dickman S. Elevated methionine-tRNA synthetase activity in human colon cancer. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine Society for Experimental Biology and Medicine 1976;153:273-6.
[12] Marshall L, Kenneth NS, White RJ. Elevated tRNA(iMet) synthesis can drive cell proliferation and oncogenic transformation. Cell 2008;133:78-89.
[13] Pavon-Eternod M, Gomes S, Geslain R, Dai Q, Rosner MR, Pan T. tRNA over-expression in breast cancer and functional consequences. Nucleic acids research 2009;37:7268-80.
[14] Zhou Y, Goodenbour JM, Godley LA, Wickrema A, Pan T. High levels of tRNA abundance and alteration of tRNA charging by bortezomib in multiple myeloma. Biochemical and biophysical research communications 2009;385:160-4.
[15] Begley U, Sosa MS, Avivar-Valderas A, Patil A, Endres L, Estrada Y, et al. A human tRNA methyltransferase 9-like protein prevents tumour growth by regulating LIN9 and HIF1-alpha. EMBO molecular medicine 2013;5:366-83.
[16] Girstmair H, Saffert P, Rode S, Czech A, Holland G, Bannert N, et al. Depletion of cognate charged transfer RNA causes translational frameshifting within the expanded CAG stretch in huntingtin. Cell reports 2013;3:148-59.
[17] Pavon-Eternod M, David A, Dittmar K, Berglund P, Pan T, Bennink JR, et al. Vaccinia and influenza A viruses select rather than adjust tRNAs to optimize translation. Nucleic acids research 2013;41:1914-21.
[18] van Weringh A, Ragonnet-Cronin M, Pranckeviciene E, Pavon-Eternod M, Kleiman L, Xia X. HIV-1 modulates the tRNA pool to improve translation efficiency. Molecular biology and evolution 2011;28:1827-34.