文獻(xiàn)解讀：PIWI/piRNA在人癌癥中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展
2023年03月07日，南華大學(xué)衡陽(yáng)醫(yī)學(xué)院李二毛團(tuán)隊(duì)在《Molecular Cancer》雜志發(fā)表了題為“The epigenetic regulatory mechanism of PIWI/piRNAs in human cancers”的綜述文章，討論了piRNA（PIWI-interacting RNA）的生物發(fā)生及其在人癌癥中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展，如N6-甲基腺苷（m6A）甲基化、組蛋白修飾、DNA甲基化和RNA干擾，為癌癥的臨床診斷、治療和預(yù)后提供了新的見(jiàn)解。
期刊：Molecular Cancer（Mol Cancer）
日期：2023.03.07
IF：41.444 /Q1
背景
PIWI蛋白與PIWI互作RNA（piRNA）的強(qiáng)相關(guān)性在生物體的發(fā)育和繁殖中具有重要意義。最新證據(jù)表明，除生殖功能外，具有異常表達(dá)的PIWI/piRNA也與多種人類(lèi)癌癥密切相關(guān)。
PIWI亞家族蛋白屬于PAZ-PIWI結(jié)構(gòu)域（PPD）蛋白家族，這對(duì)于小非編碼RNA（sncRNA）的生物發(fā)生和功能至關(guān)重要。PIWI蛋白主要與piRNA結(jié)合并在生殖細(xì)胞中發(fā)揮生理功能，除了直接切割和降解類(lèi)似于Ago蛋白/miRNA的靶RNA功能外，PIWI蛋白/piRNA還可以通過(guò)招募其他表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，如DNA甲基化酶、RNA甲基化酶、脫腺苷酶(deadenylyase)、磷酸化(phosphorylation)等發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控功能。
人類(lèi)PIWI家族蛋白包含四個(gè)成員：PIWIL1（HIWI）、PIWIL2（HILI）、PIWEL3（HIWI3）和PIWIL4（HIWI2）；小鼠PIWI家族蛋白包含三個(gè)成員：MIWI（Piwil1）、MILI（Piwil2）和MIWI2（Piwil4）；果蠅中包含三個(gè)PIWI編碼基因：PIWI、Ago3和Aub。PIWI蛋白主要在生殖細(xì)胞中表達(dá)，在正常體細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，在各種物種中表現(xiàn)出高度保守的功能。最近研究發(fā)現(xiàn)PIWI蛋白在人類(lèi)腫瘤中也異常表達(dá)，因此有望成為腫瘤靶向治療的理想靶點(diǎn)。由于這一特性，PIWI蛋白近年來(lái)備受關(guān)注。PIWI蛋白在不同類(lèi)型癌癥中的異常表達(dá)為精確醫(yī)學(xué)提供了一個(gè)良好的機(jī)會(huì)，闡明PIWI蛋白在癌癥中的調(diào)控機(jī)制已成為癌癥防治研究的重要課題。
關(guān)于piRNA
PIWI蛋白通常與piRNA結(jié)合發(fā)揮基因調(diào)控功能，在維持生殖細(xì)胞基因組的穩(wěn)定性和完整性方面發(fā)揮重要作用。piRNA是sncRNAs的最大亞類(lèi)，長(zhǎng)度約24-32nt，2'-O-甲基化3'-端，首次發(fā)現(xiàn)存在于果蠅的生殖細(xì)胞系中，并逐漸在無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物等多種物種中發(fā)現(xiàn)。約90%的piRNA由piRNA簇含有轉(zhuǎn)座子元件的特異性位點(diǎn)產(chǎn)生。最近研究還發(fā)現(xiàn)，許多piRNA序列來(lái)源于非轉(zhuǎn)座子序列，這意味著piRNA的功能不僅僅是沉默轉(zhuǎn)座子。piRNA簇根據(jù)其從基因組上的兩條或一條鏈產(chǎn)生piRNA的能力分為雙鏈簇和單鏈簇。單鏈piRNA簇是分布最廣泛和默認(rèn)的類(lèi)型，其轉(zhuǎn)錄類(lèi)似于經(jīng)典轉(zhuǎn)錄通路，常規(guī)轉(zhuǎn)錄本也正常剪接。雙鏈piRNA簇主要分布在生殖細(xì)胞中并缺乏明確定義的啟動(dòng)子區(qū)域，新生成的piRNA轉(zhuǎn)錄本不能剪接和聚腺苷酸化。新生成的前體轉(zhuǎn)錄本從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中以不依賴(lài)于Dicer的方式進(jìn)一步加工成成熟的piRNA，但這一過(guò)程復(fù)雜且尚未完全理解。目前，模型設(shè)計(jì)中已知兩種相互關(guān)聯(lián)的機(jī)制：常規(guī)擴(kuò)增通路（也稱(chēng)Phasing加工通路）和“乒乓”擴(kuò)增通路，如圖1所示。
PIWI/piRNA在正常生殖細(xì)胞和腫瘤生殖細(xì)胞中的調(diào)控機(jī)制
PIWI/piRNAs復(fù)合體最主要的功能是參與轉(zhuǎn)座子沉默和生殖發(fā)育的調(diào)控，其作用機(jī)制是在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)（圖2）。
圖2：PIWI-piRNA復(fù)合體在正常細(xì)胞中的調(diào)控機(jī)制。
在正常細(xì)胞中，PIWI蛋白主要與piRNA結(jié)合形成復(fù)合體，在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)。在轉(zhuǎn)錄水平上，靶基因轉(zhuǎn)錄主要受核定位PIWI蛋白招募組蛋白和DNA修飾酶的調(diào)控。在轉(zhuǎn)錄后水平上，除了PIWI蛋白在細(xì)胞質(zhì)中招募并在RNA和蛋白酶體水平上調(diào)控的MTC、泛素化酶和磷酸化酶等表觀遺傳調(diào)控因子外，靶基因mRNA還可以直接靶向并以PIWI內(nèi)切酶依賴(lài)的方式切割，在“乒乓”循環(huán)通路中實(shí)現(xiàn)。
而PIWI蛋白在多種腫瘤中高表達(dá)，如胃癌、結(jié)腸癌、肝癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和膀胱癌。此外piRNA的研究仍處于初步階段，其在腫瘤中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制仍在研究中。本綜述總結(jié)了有關(guān)PIWI/piRNA在人類(lèi)癌癥中表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的最新信息，包括m6A甲基化、組蛋白修飾和DNA甲基化等（圖3），這為癌癥診斷和預(yù)后以及治療提供了獨(dú)特的生物標(biāo)記物觀察結(jié)果。
PIWI/piRNA在人類(lèi)癌癥中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制
DNA甲基化
DNA甲基化是指生物體在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）為甲基供體將甲基轉(zhuǎn)移至特定堿基的過(guò)程，在長(zhǎng)期沉默基因方面尤其在啟動(dòng)子區(qū)域至關(guān)重要。在哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化主要發(fā)生在CpG島胞嘧啶的第五個(gè)碳原子上，稱(chēng)為5-甲基胞嘧啶（m5C）。正常細(xì)胞中的CpG島由于保護(hù)作用而去甲基化導(dǎo)致全基因組低甲基化，維持甲基化模式的酶不受調(diào)控及正常未甲基化CpG島的高甲基化是人類(lèi)腫瘤中的常見(jiàn)現(xiàn)象。先前的研究表明，啟動(dòng)子區(qū)域的高甲基化導(dǎo)致抑癌基因的失活這是人類(lèi)腫瘤的共同特征之一。lncRNA可以招募DNMT來(lái)提高DNA甲基化水平，而最近的研究表明piRNA可以通過(guò)在某些人類(lèi)癌癥中招募DNMT來(lái)影響高甲基化。DNA甲基化與piRNA之間的相互作用對(duì)基因組的穩(wěn)定性和表達(dá)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，最終導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)的異常變化，從而促使疾病進(jìn)展。
許多研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中DNA甲基化變化與PIWI/piRNA疾病密切相關(guān)。與正常乳腺組織相比，乳腺癌組織中piR-651、piR-823和piR-021285高表達(dá)，但PIWI蛋白在乳腺癌中的表達(dá)尚未統(tǒng)一。Didier等人發(fā)現(xiàn)PIWIL2在正常乳腺組織中表達(dá)，但在乳腺腫瘤組織中不表達(dá)，而其他三項(xiàng)研究結(jié)果則相反。piR-651的過(guò)表達(dá)可以促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖和侵襲，其調(diào)控機(jī)制是通過(guò)PIWIL2將DNMT1招募到抑癌基因PTEN的啟動(dòng)子區(qū)，導(dǎo)致PTEN啟動(dòng)子甲基化，從而降低其表達(dá)水平。此外，F(xiàn)u等人表明piR-021285可以促進(jìn)原癌基因ARHGAP11A 5'UTR/第一外顯子甲基化并下調(diào)其表達(dá)水平，但其特異性調(diào)控機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。Ding等人發(fā)現(xiàn)piRNA-823的過(guò)表達(dá)促進(jìn)DNMTs表達(dá)，如DNMT1、DNMT3A和DNMT3B，從而誘導(dǎo)基因腺瘤性息肉�。ˋPC）的高甲基化，通過(guò)觸發(fā)Wnt信號(hào)通路誘導(dǎo)管腔乳腺癌癥細(xì)胞干化。除乳腺癌外，還發(fā)現(xiàn)piR-823在多發(fā)性骨髓瘤（MM）和食管鱗狀細(xì)胞癌（ESCC）中上調(diào)。
MM中piR-823過(guò)表達(dá)可以通過(guò)激活DNMT3B和上調(diào)DNA甲基化水平來(lái)維持多發(fā)性骨髓瘤干細(xì)胞的干性并增加致瘤力。Yan等人表明，piRNA-823可以上調(diào)DNMT3A和DNMT3B的mRNA水平和蛋白水平，導(dǎo)致抑癌基因p16（INK4A）甲基化，從而在MM中發(fā)揮促癌作用。Su等人表明，piR-823和DNMT3B均在ESCC中過(guò)表達(dá)，且彼此呈正相關(guān)。piR-823可通過(guò)DNMT3b介導(dǎo)的DNA甲基化來(lái)促進(jìn)ESCC進(jìn)展。
PIWI/piRNA介導(dǎo)的DNA甲基化在其他腫瘤中也起重要作用。在前列腺癌中，高表達(dá)的piRNA-31470誘導(dǎo)DNMT1和DNMT3α通過(guò)PIWIL4與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶Pi1（GSTP1）的CpG島結(jié)合。隨后GSTP1甲基化并抑制其轉(zhuǎn)錄，GSTP1失活增加了正常細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的敏感性和前列腺癌的風(fēng)險(xiǎn)。Wu的研究表明，LV-has-piR-011186與特異性序列結(jié)合的過(guò)表達(dá)將DNA甲基化和組蛋白甲基化蛋白招募到CDKN2啟動(dòng)子基因中，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖，并抑制U937白血病細(xì)胞凋亡。在肺癌中，RASSF1基因家族的主要成員RASSF1C可以促進(jìn)PIWIL1表達(dá)和調(diào)控piRNA表達(dá)。本研究提出RASSF1C/PIWIL1/piRNA軸，該軸通過(guò)DNA甲基化調(diào)控肺癌Gem互作蛋白（GMIP）mRNA的表達(dá)，從而影響癌細(xì)胞的遷移。
m6A RNA甲基化
近年來(lái)，m6A是最受關(guān)注的表觀遺傳RNA修飾之一，其在調(diào)控基因表達(dá)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種RNA修飾可以通過(guò)m6A的“writers”, “erasers” 和“readers”實(shí)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)可以分別對(duì)RNA進(jìn)行甲基化、去甲基化和鑒定m6A。MTC由至少七種“writers”蛋白組成：METTL3、METTL14、METTL16、WTAP、RBM15/15B、KIAA1429、ZC3H13。m6A去甲基化酶目前主要有兩種類(lèi)型：FTO和ALKBH5，表明m6A甲基化和DNA甲基化及組蛋白修飾一樣，是一種可逆修飾。為了執(zhí)行特定的生物功能，m6A必須被特定的RNA結(jié)合蛋白識(shí)別。這些甲基化識(shí)別蛋白，如YT521-B同源（YTH）蛋白、異質(zhì)核核糖核蛋白（HNRNP）、真核翻譯起始因子3（elF3）和IGF2 mRNA結(jié)合蛋白（IGF2BP）家族，以m6A依賴(lài)的方式影響mRNA的命運(yùn)，包括RNA轉(zhuǎn)錄、加工、翻譯和代謝。
越來(lái)越多的證據(jù)表明，m6A RNA甲基化也可能影響腫瘤發(fā)生。因此，有研究人員想知道piRNA和m6A之間是否存在一些可以共同影響癌癥進(jìn)展的關(guān)系。如Xie等的研究表明，piRNA-14633可以通過(guò)piRNA-14533/METTL14/CYP1B1軸促進(jìn)宮頸癌（CC）的惡化，在該研究中，piRNA-14633在CC細(xì)胞中高表達(dá)，且提高了m6A RNA甲基化水平和METTL14 mRNA穩(wěn)定性。此外，由piRNA-14633調(diào)控的METTL14可能靶向CC細(xì)胞中的CYP1B1，從而促進(jìn)CC細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲能力。Han等的研究表明，piRNA-30473通過(guò)調(diào)節(jié)WTAP在彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤（DLBCL）中發(fā)揮作用。作為DLBCL患者的陰性預(yù)后指標(biāo)，piRNA-30473在DLBCL中過(guò)表達(dá)，且通過(guò)調(diào)節(jié)WTAP和IGF2BP2的表達(dá)來(lái)調(diào)控m6A甲基化水平，IGF2BP2是一種m6A readers，可以通過(guò)增加HK2 mRNA的穩(wěn)定性來(lái)上調(diào)細(xì)胞中靶向其mRNA 5’UTR的HK2表達(dá)。這兩項(xiàng)研究都表明，piRNA通過(guò)調(diào)控m6A甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)來(lái)發(fā)揮m6A修飾的作用。
此外研究還發(fā)現(xiàn)，piRNA可以通過(guò)與某些m6A甲基轉(zhuǎn)移酶相互作用并影響其活性來(lái)調(diào)控細(xì)胞全基因組m6A水平。例如，Liu等發(fā)現(xiàn)piRNA-36741通過(guò)調(diào)控BMP2的METTL3依賴(lài)性m6A甲基化來(lái)調(diào)控成骨細(xì)胞分化。CHAPIR（心肌肥大相關(guān)piRNA）-PIWIL4復(fù)合體通過(guò)與METTL3互作并阻止Parp10 mRNA轉(zhuǎn)錄本的m6A甲基化來(lái)上調(diào)Parp10表達(dá)，從而抑制NFATC4在細(xì)胞核中的積累，進(jìn)而促進(jìn)病理性肥大和重塑心臟。從機(jī)制上講，這兩項(xiàng)研究都得出結(jié)論，piRNA-PIWIL4復(fù)合體直接與METTL3互作并調(diào)控METTL3介導(dǎo)的靶向基因轉(zhuǎn)錄本的m6A修飾。
盡管這些研究證明piRNA-PIWI蛋白復(fù)合體可以通過(guò)調(diào)控m6A甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)或影響其m6A活性來(lái)發(fā)揮m6A修飾的作用，但幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仍未解決。例如，piRNA可以通過(guò)PIWI蛋白招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，以調(diào)控靶基因的DNA甲基化，類(lèi)似于miRNA，piRNA作為一種ncRNA與mRNA的3’UTR或CDS區(qū)結(jié)合。因此某些piRNA是否只調(diào)控與其結(jié)合的靶基因的m6A水平，就像DNA甲基化一樣，而不是細(xì)胞的全基因組m6A水平。此外，深入研究這一問(wèn)題也有望闡明m6A如何在轉(zhuǎn)錄組中特異性和動(dòng)態(tài)沉積的分子機(jī)制。而目前只進(jìn)行了少量的研究，piRNA和m6A調(diào)控機(jī)制在人類(lèi)癌癥中具有巨大潛力，應(yīng)進(jìn)一步研究來(lái)挖掘深層次的內(nèi)部機(jī)制。
組蛋白修飾
核小體是染色體功能的基本單位，由146對(duì)堿基圍繞組蛋白八聚體形成，組蛋白八聚體由四種組蛋白（H2A、H2B、H3和H4）的兩個(gè)分子組成。真核生物的一些組蛋白能夠穩(wěn)定核小體，而組蛋白末端的游離氨基酸殘基可以進(jìn)行共價(jià)修飾，如甲基化、乙�；�、磷酸化、泛素化、腺苷二磷酸核糖基化和糖基化，其中甲基化和乙�；莾煞N重要修飾。組蛋白乙�；怯山M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）和組蛋白去乙�；福℉DAC）介導(dǎo)的可逆動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。HAT可以將乙酰輔酶A攜帶的乙�；D(zhuǎn)移到組蛋白N末端的特定賴(lài)氨酸殘基上，乙酰基中和殘基攜帶的正電荷，從而擴(kuò)大DNA構(gòu)象并放松核小體結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)DNA與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合并激活特定基因的轉(zhuǎn)錄。組蛋白甲基化通常發(fā)生在賴(lài)氨酸和精氨酸殘基上，不同位點(diǎn)的甲基化對(duì)組蛋白功能有不同的影響。這些修飾酶可分為兩部分，一部分是活性標(biāo)記，另一部分是抑制性標(biāo)記。組蛋白H3賴(lài)氨酸4三甲基化（H3K4me3）、H3和H4乙酰化以及組蛋白H3賴(lài)氨酸36（H3K36me2和H3K36me3）是活性標(biāo)記，有利于核小體三維結(jié)構(gòu)開(kāi)放染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄通路的形成。而抑制性標(biāo)記如組蛋白H3賴(lài)氨酸9和27（H3K9me3和H3K27me3）的三甲基化，能夠產(chǎn)生濃縮的染色質(zhì)。
不同種類(lèi)的piRNA可以招募相應(yīng)的組蛋白修飾酶，從而產(chǎn)生不同的效果。如一項(xiàng)研究表明，pi-sno75可以上調(diào)促凋亡蛋白TRAIL表達(dá)，并在乳腺癌中發(fā)揮抑制作用。從機(jī)制上說(shuō)，pi-sno75與PIWIL1/4結(jié)合并通過(guò)招募MLL3/hCOMPASS復(fù)合體誘導(dǎo)TRAIL的H3K4甲基化/H3K27去甲基化。Wu等人證明CDKN2B相關(guān)的piRNA、hsa-piR-011186和hsa-piR-014637在白血病細(xì)胞U937中高表達(dá)，其表達(dá)上調(diào)可抑制CDKN2B表達(dá)，從而促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。從機(jī)制水平來(lái)說(shuō)，hsa-piR-011186和hsa-piR-014637與DNMT1、Suv39H1和EZH2蛋白形成復(fù)合體，調(diào)節(jié)CDKN2B啟動(dòng)子位點(diǎn)中DNA和組蛋白H3的甲基化水平。這種特異性的piRNA復(fù)合體加速了細(xì)胞周期的表觀遺傳修飾，為白血病的進(jìn)展提供了新見(jiàn)解。另一項(xiàng)研究表明，浸潤(rùn)性乳腺癌（IBCs）中PIWIL2的低表達(dá)與DNMT1、組蛋白H1、HP1和SUV39H1的下調(diào)之間存在強(qiáng)相關(guān)性，這與染色質(zhì)可及性和基因組甲基化有關(guān)。導(dǎo)致DNA去甲基化和轉(zhuǎn)座元件再激活的PIWI/piRNA功能障礙是許多腫瘤細(xì)胞基因組完整性和免疫應(yīng)答變化的表觀遺傳機(jī)制。此外在IBC中的反應(yīng)，PIWIL2低表達(dá)與免疫細(xì)胞毒性CD8+增加密切相關(guān)，證明了作為免疫療法的預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物的可行性以及可能的新型臨床診斷標(biāo)志物。
PIWI/piRNA的其他致癌機(jī)制
在生殖細(xì)胞中，依據(jù)其剪接酶活性，PIWI蛋白可以切割與piRNA互補(bǔ)的轉(zhuǎn)座子RNA，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子基因轉(zhuǎn)錄后沉默，這與piRNA生物合成有關(guān)。但這種情況在癌癥中有所不同，根據(jù)目前的研究，PIWI蛋白和piRNA作為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體來(lái)調(diào)控mRNA衰變（圖2）。例如，Liu等人發(fā)現(xiàn)PIWIL1作為APC/C復(fù)合體的共激活因子，在piRNA缺失的情況下靶向細(xì)胞粘附蛋白Pinin進(jìn)行蛋白水解泛素化，從而促進(jìn)胰腺癌轉(zhuǎn)移。Lin等人也證明在PIWIL1高表達(dá)的胃癌細(xì)胞中很難檢測(cè)到piRNA表達(dá)，PIWIL1敲除的piRNA結(jié)合活性仍然可以發(fā)揮促進(jìn)癌細(xì)胞生長(zhǎng)和腫瘤轉(zhuǎn)移的生物學(xué)功能。從機(jī)制上講，PIWIL1可能通過(guò)結(jié)合蛋白對(duì)抑癌基因表達(dá)進(jìn)行負(fù)調(diào)控，而結(jié)合蛋白是無(wú)義介導(dǎo)的mRNA衰變機(jī)制的核心因子。PIWI蛋白可以直接與某些功能蛋白（泛素酶和磷酸化酶）結(jié)合以不依賴(lài)于piRNA在腫瘤中發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控功能。當(dāng)然，這種現(xiàn)象是否也存在于正常細(xì)胞中需要進(jìn)一步研究。另外，許多piRNA可以類(lèi)似于miRNA機(jī)制，通過(guò)癌癥中的piRNA-RNA互作調(diào)控轉(zhuǎn)錄后網(wǎng)絡(luò)以抑制靶功能。在肺癌細(xì)胞中，piRNA可通過(guò)P-ERM、Caspase-3和Akt/mTOR調(diào)控癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、凋亡、遷移和侵襲。在結(jié)腸癌細(xì)胞中，piRNA通過(guò)HSF1、BTG1和FAS調(diào)控癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、凋亡和細(xì)胞周期轉(zhuǎn)運(yùn)。只有PWIL1蛋白在人結(jié)腸癌COLO205細(xì)胞中表達(dá)，而其他PIWI蛋白不表達(dá)。在與hpv16/18相關(guān)的頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中，piRNA FR140858缺失可能促進(jìn)微染色體維持復(fù)合體組分7的表達(dá)。在乳腺癌中，PIWIL1與piR-36712結(jié)合形成RISC并靶向降解SEPW1的逆轉(zhuǎn)錄假基因SEPW1P，隨后通過(guò)SEPW1 mRNA與SEPW1P RNA競(jìng)爭(zhēng)microRNA-7和microRNA-324來(lái)下調(diào)SEPW1表達(dá)并抑制增殖、遷移和侵襲。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中，piRNA-39980直接靶向JAK3基因，從而誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、增強(qiáng)轉(zhuǎn)移并抑制其衰老。在膀胱癌中，piRNA DQ594040表達(dá)下調(diào)，piRNA DQ594040通過(guò)靶向TNFSF4抑制膀胱癌細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
需要進(jìn)一步研究PIWI如何以不依賴(lài)于piRNA的方式調(diào)控和發(fā)揮作用；還有必要進(jìn)一步探討是否有新的不同于常規(guī)piRNA的小RNA參與PIWI在癌癥中的調(diào)控和功能，或者可能有新的PIWI功能相關(guān)蛋白參與PIWI的調(diào)控和功能。這些關(guān)于PIWI在癌癥中的作用和機(jī)制的深入研究最終將為PIWI在癌癥精確治療中的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
與piRNA/PIWI蛋白相關(guān)靶向治療的未來(lái)前景
腫瘤治療目前還受低效和侵入性診斷工具以及治療引起的不良后果的困擾（如恢復(fù)率低、缺乏普遍性和頻繁隨訪等），但更具針對(duì)性的靶向治療和相關(guān)診斷方法已經(jīng)出現(xiàn)。靶向治療，旨在在腫瘤發(fā)生過(guò)程中切斷特異性通路和功能蛋白，尤其是具有異常表達(dá)的突變分子�，F(xiàn)已檢測(cè)到多種piRNA和PIWI蛋白在腫瘤生殖細(xì)胞和其他癌組織中下調(diào)或上調(diào)，以促癌發(fā)生或抑癌生長(zhǎng)。新出現(xiàn)的證據(jù)表明piRNA和PIWI蛋白在病理分級(jí)或臨床轉(zhuǎn)移中的高度惡性相關(guān)。在腫瘤中，piRNA/PIWI復(fù)合體能夠通過(guò)表觀遺傳通路調(diào)控致癌作用。piRNA/PIWI蛋白的表觀遺傳機(jī)制基于基因水平來(lái)促進(jìn)或抑制細(xì)胞增殖、遷移和轉(zhuǎn)移。在未來(lái)或許可以通過(guò)上調(diào)或下調(diào)piRNA/PIWI復(fù)合體表達(dá)來(lái)改變與參與癌癥發(fā)生特異性通路的m6A RNA、組蛋白和DNA甲基化修飾相關(guān)分子的表達(dá)或穩(wěn)定性。當(dāng)然，如果在一種癌癥中檢測(cè)到更多由piRNA/PIWI復(fù)合體調(diào)控的更多表觀遺傳通路，那制備靶向藥物的幾率將加大。
miRNA在腫瘤靶向治療中的應(yīng)用存在三個(gè)問(wèn)題：特異性，可遞送性和耐受性，而piRNA則具有很大的改善。首先在特異性方面，一是大多數(shù)piRNA在生殖細(xì)胞和癌細(xì)胞中表達(dá)，表明其具有良好的細(xì)胞特異性；二是piRNA與靶基因堿基互補(bǔ)配對(duì)，并在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因表達(dá)，表明其具有良好的基因特異性。但piRNA與miRNA也存在相似的問(wèn)題，如脫靶效應(yīng)和由序列相似或過(guò)量誘導(dǎo)的免疫原性等問(wèn)題，遠(yuǎn)高于預(yù)期的內(nèi)源水平。其次在可遞送性方面，因?yàn)閜iRNA的3'端具有2'-O-甲基化結(jié)構(gòu)，所以piRNA在血液中比miRNA更穩(wěn)定，因此piRNA具有更好的可遞送性。第三，關(guān)于耐受性或副作用，piRNA和PIWI蛋白由于其在細(xì)胞中的特異性表達(dá)而具有較少的副作用。因此，憑借這些優(yōu)勢(shì)，PIWI/piRNA將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
結(jié)論
癌癥是危害人類(lèi)健康的致命性疾病。盡管醫(yī)學(xué)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家們一直致力于癌癥治療的研究，但到目前為止仍然是一種難以征服的疾病，其中一個(gè)主要原因就是缺乏腫瘤特異性抗原。PIWI/piRNA通常僅在生殖細(xì)胞和癌性腫瘤組織中表達(dá)，但在正常體細(xì)胞組織中幾乎不表達(dá)，使其成為精準(zhǔn)靶向治療的潛在靶標(biāo)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，關(guān)于PIWI/piRNA復(fù)合體的新研究信息不斷出現(xiàn)。PIWI/piRNAs介導(dǎo)的表觀遺傳調(diào)控在生殖細(xì)胞發(fā)育中起重要作用，包括DNA甲基化、組蛋白甲基化、組蛋白乙�；徒M蛋白泛素化，不僅可以在轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)揮重要的調(diào)控作用，而且PIWI家族蛋白可以在piRNA誘導(dǎo)下對(duì)mRNA進(jìn)行切割，這也顯示出轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控作用。然而PIWI/piRNA在癌癥中的調(diào)控機(jī)制有所不同。大部分研究發(fā)現(xiàn)PIWI蛋白和piRNA是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體對(duì)腫瘤發(fā)揮調(diào)控作用。因此，有必要進(jìn)一步研究PIWI蛋白如何以不依賴(lài)于piRNA的方式在腫瘤中發(fā)揮其調(diào)控功能。
本綜述還討論了人類(lèi)癌癥中PIWI/piRNA復(fù)合體的四種可能的調(diào)控機(jī)制，如核酸內(nèi)切酶、DNA甲基化、組蛋白調(diào)控，以及m6A甲基化的最新研究（表1）。目前關(guān)于m6A甲基化的研究很少，需要更多的研究來(lái)分析PIWI/piRNA介導(dǎo)的m6A修飾在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中的作用。深入研究表觀遺傳學(xué)機(jī)制有助于完善腫瘤發(fā)生機(jī)制的理論。通過(guò)進(jìn)一步研究，PIWI/piRNA可能成為腫瘤診斷的小分子標(biāo)志物，并促進(jìn)腫瘤診斷和治療的發(fā)展。
表1：PIWI/piRNA在各種癌癥中的作用
參考文獻(xiàn)：Zhang Q, Zhu Y, Cao X, Tan W, Yu J, Lu Y, Kang R, Wang X, Li E. The epigenetic regulatory mechanism of PIWI/piRNAs in human cancers. Mol Cancer. 2023 Mar 7;22(1):45.
期刊：Molecular Cancer（Mol Cancer）
IF：41.444 /Q1
背景
PIWI蛋白與PIWI互作RNA（piRNA）的強(qiáng)相關(guān)性在生物體的發(fā)育和繁殖中具有重要意義。最新證據(jù)表明，除生殖功能外，具有異常表達(dá)的PIWI/piRNA也與多種人類(lèi)癌癥密切相關(guān)。
PIWI亞家族蛋白屬于PAZ-PIWI結(jié)構(gòu)域（PPD）蛋白家族，這對(duì)于小非編碼RNA（sncRNA）的生物發(fā)生和功能至關(guān)重要。PIWI蛋白主要與piRNA結(jié)合并在生殖細(xì)胞中發(fā)揮生理功能，除了直接切割和降解類(lèi)似于Ago蛋白/miRNA的靶RNA功能外，PIWI蛋白/piRNA還可以通過(guò)招募其他表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，如DNA甲基化酶、RNA甲基化酶、脫腺苷酶(deadenylyase)、磷酸化(phosphorylation)等發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控功能。
人類(lèi)PIWI家族蛋白包含四個(gè)成員：PIWIL1（HIWI）、PIWIL2（HILI）、PIWEL3（HIWI3）和PIWIL4（HIWI2）；小鼠PIWI家族蛋白包含三個(gè)成員：MIWI（Piwil1）、MILI（Piwil2）和MIWI2（Piwil4）；果蠅中包含三個(gè)PIWI編碼基因：PIWI、Ago3和Aub。PIWI蛋白主要在生殖細(xì)胞中表達(dá)，在正常體細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，在各種物種中表現(xiàn)出高度保守的功能。最近研究發(fā)現(xiàn)PIWI蛋白在人類(lèi)腫瘤中也異常表達(dá)，因此有望成為腫瘤靶向治療的理想靶點(diǎn)。由于這一特性，PIWI蛋白近年來(lái)備受關(guān)注。PIWI蛋白在不同類(lèi)型癌癥中的異常表達(dá)為精確醫(yī)學(xué)提供了一個(gè)良好的機(jī)會(huì)，闡明PIWI蛋白在癌癥中的調(diào)控機(jī)制已成為癌癥防治研究的重要課題。
關(guān)于piRNA
PIWI蛋白通常與piRNA結(jié)合發(fā)揮基因調(diào)控功能，在維持生殖細(xì)胞基因組的穩(wěn)定性和完整性方面發(fā)揮重要作用。piRNA是sncRNAs的最大亞類(lèi)，長(zhǎng)度約24-32nt，2'-O-甲基化3'-端，首次發(fā)現(xiàn)存在于果蠅的生殖細(xì)胞系中，并逐漸在無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物等多種物種中發(fā)現(xiàn)。約90%的piRNA由piRNA簇含有轉(zhuǎn)座子元件的特異性位點(diǎn)產(chǎn)生。最近研究還發(fā)現(xiàn)，許多piRNA序列來(lái)源于非轉(zhuǎn)座子序列，這意味著piRNA的功能不僅僅是沉默轉(zhuǎn)座子。piRNA簇根據(jù)其從基因組上的兩條或一條鏈產(chǎn)生piRNA的能力分為雙鏈簇和單鏈簇。單鏈piRNA簇是分布最廣泛和默認(rèn)的類(lèi)型，其轉(zhuǎn)錄類(lèi)似于經(jīng)典轉(zhuǎn)錄通路，常規(guī)轉(zhuǎn)錄本也正常剪接。雙鏈piRNA簇主要分布在生殖細(xì)胞中并缺乏明確定義的啟動(dòng)子區(qū)域，新生成的piRNA轉(zhuǎn)錄本不能剪接和聚腺苷酸化。新生成的前體轉(zhuǎn)錄本從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中以不依賴(lài)于Dicer的方式進(jìn)一步加工成成熟的piRNA，但這一過(guò)程復(fù)雜且尚未完全理解。目前，模型設(shè)計(jì)中已知兩種相互關(guān)聯(lián)的機(jī)制：常規(guī)擴(kuò)增通路（也稱(chēng)Phasing加工通路）和“乒乓”擴(kuò)增通路，如圖1所示。
圖1：piRNA產(chǎn)生的兩種模式。
在體細(xì)胞中，piRNA主要通過(guò)Phasing加工通路生成（左側(cè)）。首先，piRNA前體轉(zhuǎn)錄本被PIWI/啟動(dòng)子piRNA分解以產(chǎn)生pre-pre-piRNA，pre-pre-piRNA與新PIWI蛋白結(jié)合，然后通過(guò)內(nèi)切酶切割成兩部分（果蠅中的Zucchini或小鼠中的PLD6）。PIWI蛋白的結(jié)合部分是已知的中間piRNA（pre-piRNA），其在外顯子酶（Trimmer/PNLDC1）和甲基轉(zhuǎn)移酶（Hen1）的作用下產(chǎn)生成熟的應(yīng)答piRNA。pre-pre-piRNA的其余部分在其5'端被PIWI蛋白重復(fù)結(jié)合，并被Zucchini/PLD6重復(fù)切割以產(chǎn)生一串尾隨piRNA。在生殖細(xì)胞中，piRNA由Ago3和Aub介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子和piRNA簇的互補(bǔ)轉(zhuǎn)錄本相互切割而產(chǎn)生，稱(chēng)為“Ping pang”循環(huán)（右側(cè)），產(chǎn)生成對(duì)的piRNA（initiator-piRNA和responder-piRNA），在5'端有10個(gè)堿基重疊。PIWI/piRNA在正常生殖細(xì)胞和腫瘤生殖細(xì)胞中的調(diào)控機(jī)制
PIWI/piRNAs復(fù)合體最主要的功能是參與轉(zhuǎn)座子沉默和生殖發(fā)育的調(diào)控，其作用機(jī)制是在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)（圖2）。
圖2：PIWI-piRNA復(fù)合體在正常細(xì)胞中的調(diào)控機(jī)制。
而PIWI蛋白在多種腫瘤中高表達(dá)，如胃癌、結(jié)腸癌、肝癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和膀胱癌。此外piRNA的研究仍處于初步階段，其在腫瘤中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制仍在研究中。本綜述總結(jié)了有關(guān)PIWI/piRNA在人類(lèi)癌癥中表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的最新信息，包括m6A甲基化、組蛋白修飾和DNA甲基化等（圖3），這為癌癥診斷和預(yù)后以及治療提供了獨(dú)特的生物標(biāo)記物觀察結(jié)果。
圖3：PIWI/piRNA對(duì)人類(lèi)癌癥的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。
- PIWI蛋白主要通過(guò)與其他功能蛋白（如甲基轉(zhuǎn)移酶、泛素化酶、磷酸化酶等）結(jié)合，以不依賴(lài)piRNA的方式調(diào)控癌癥中的基因表達(dá)。
- PIWI蛋白以piRNA依賴(lài)性方式調(diào)控癌癥中的基因表達(dá)，這與正常細(xì)胞中的調(diào)控相似。
- piRNA獨(dú)立調(diào)控癌癥機(jī)制，通過(guò)與表觀遺傳調(diào)控因子結(jié)合或直接調(diào)控其表達(dá)來(lái)發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控功能。PiRNA還可以與靶基因結(jié)合以降解mRNA、改變其mRNA穩(wěn)定性或抑制其翻譯過(guò)程。
PIWI/piRNA在人類(lèi)癌癥中的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制
DNA甲基化
DNA甲基化是指生物體在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）為甲基供體將甲基轉(zhuǎn)移至特定堿基的過(guò)程，在長(zhǎng)期沉默基因方面尤其在啟動(dòng)子區(qū)域至關(guān)重要。在哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化主要發(fā)生在CpG島胞嘧啶的第五個(gè)碳原子上，稱(chēng)為5-甲基胞嘧啶（m5C）。正常細(xì)胞中的CpG島由于保護(hù)作用而去甲基化導(dǎo)致全基因組低甲基化，維持甲基化模式的酶不受調(diào)控及正常未甲基化CpG島的高甲基化是人類(lèi)腫瘤中的常見(jiàn)現(xiàn)象。先前的研究表明，啟動(dòng)子區(qū)域的高甲基化導(dǎo)致抑癌基因的失活這是人類(lèi)腫瘤的共同特征之一。lncRNA可以招募DNMT來(lái)提高DNA甲基化水平，而最近的研究表明piRNA可以通過(guò)在某些人類(lèi)癌癥中招募DNMT來(lái)影響高甲基化。DNA甲基化與piRNA之間的相互作用對(duì)基因組的穩(wěn)定性和表達(dá)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，最終導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)的異常變化，從而促使疾病進(jìn)展。
許多研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中DNA甲基化變化與PIWI/piRNA疾病密切相關(guān)。與正常乳腺組織相比，乳腺癌組織中piR-651、piR-823和piR-021285高表達(dá)，但PIWI蛋白在乳腺癌中的表達(dá)尚未統(tǒng)一。Didier等人發(fā)現(xiàn)PIWIL2在正常乳腺組織中表達(dá)，但在乳腺腫瘤組織中不表達(dá)，而其他三項(xiàng)研究結(jié)果則相反。piR-651的過(guò)表達(dá)可以促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的增殖和侵襲，其調(diào)控機(jī)制是通過(guò)PIWIL2將DNMT1招募到抑癌基因PTEN的啟動(dòng)子區(qū)，導(dǎo)致PTEN啟動(dòng)子甲基化，從而降低其表達(dá)水平。此外，F(xiàn)u等人表明piR-021285可以促進(jìn)原癌基因ARHGAP11A 5'UTR/第一外顯子甲基化并下調(diào)其表達(dá)水平，但其特異性調(diào)控機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。Ding等人發(fā)現(xiàn)piRNA-823的過(guò)表達(dá)促進(jìn)DNMTs表達(dá)，如DNMT1、DNMT3A和DNMT3B，從而誘導(dǎo)基因腺瘤性息肉�。ˋPC）的高甲基化，通過(guò)觸發(fā)Wnt信號(hào)通路誘導(dǎo)管腔乳腺癌癥細(xì)胞干化。除乳腺癌外，還發(fā)現(xiàn)piR-823在多發(fā)性骨髓瘤（MM）和食管鱗狀細(xì)胞癌（ESCC）中上調(diào)。
MM中piR-823過(guò)表達(dá)可以通過(guò)激活DNMT3B和上調(diào)DNA甲基化水平來(lái)維持多發(fā)性骨髓瘤干細(xì)胞的干性并增加致瘤力。Yan等人表明，piRNA-823可以上調(diào)DNMT3A和DNMT3B的mRNA水平和蛋白水平，導(dǎo)致抑癌基因p16（INK4A）甲基化，從而在MM中發(fā)揮促癌作用。Su等人表明，piR-823和DNMT3B均在ESCC中過(guò)表達(dá)，且彼此呈正相關(guān)。piR-823可通過(guò)DNMT3b介導(dǎo)的DNA甲基化來(lái)促進(jìn)ESCC進(jìn)展。
PIWI/piRNA介導(dǎo)的DNA甲基化在其他腫瘤中也起重要作用。在前列腺癌中，高表達(dá)的piRNA-31470誘導(dǎo)DNMT1和DNMT3α通過(guò)PIWIL4與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶Pi1（GSTP1）的CpG島結(jié)合。隨后GSTP1甲基化并抑制其轉(zhuǎn)錄，GSTP1失活增加了正常細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的敏感性和前列腺癌的風(fēng)險(xiǎn)。Wu的研究表明，LV-has-piR-011186與特異性序列結(jié)合的過(guò)表達(dá)將DNA甲基化和組蛋白甲基化蛋白招募到CDKN2啟動(dòng)子基因中，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖，并抑制U937白血病細(xì)胞凋亡。在肺癌中，RASSF1基因家族的主要成員RASSF1C可以促進(jìn)PIWIL1表達(dá)和調(diào)控piRNA表達(dá)。本研究提出RASSF1C/PIWIL1/piRNA軸，該軸通過(guò)DNA甲基化調(diào)控肺癌Gem互作蛋白（GMIP）mRNA的表達(dá)，從而影響癌細(xì)胞的遷移。
m6A RNA甲基化
近年來(lái)，m6A是最受關(guān)注的表觀遺傳RNA修飾之一，其在調(diào)控基因表達(dá)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種RNA修飾可以通過(guò)m6A的“writers”, “erasers” 和“readers”實(shí)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)可以分別對(duì)RNA進(jìn)行甲基化、去甲基化和鑒定m6A。MTC由至少七種“writers”蛋白組成：METTL3、METTL14、METTL16、WTAP、RBM15/15B、KIAA1429、ZC3H13。m6A去甲基化酶目前主要有兩種類(lèi)型：FTO和ALKBH5，表明m6A甲基化和DNA甲基化及組蛋白修飾一樣，是一種可逆修飾。為了執(zhí)行特定的生物功能，m6A必須被特定的RNA結(jié)合蛋白識(shí)別。這些甲基化識(shí)別蛋白，如YT521-B同源（YTH）蛋白、異質(zhì)核核糖核蛋白（HNRNP）、真核翻譯起始因子3（elF3）和IGF2 mRNA結(jié)合蛋白（IGF2BP）家族，以m6A依賴(lài)的方式影響mRNA的命運(yùn)，包括RNA轉(zhuǎn)錄、加工、翻譯和代謝。
越來(lái)越多的證據(jù)表明，m6A RNA甲基化也可能影響腫瘤發(fā)生。因此，有研究人員想知道piRNA和m6A之間是否存在一些可以共同影響癌癥進(jìn)展的關(guān)系。如Xie等的研究表明，piRNA-14633可以通過(guò)piRNA-14533/METTL14/CYP1B1軸促進(jìn)宮頸癌（CC）的惡化，在該研究中，piRNA-14633在CC細(xì)胞中高表達(dá)，且提高了m6A RNA甲基化水平和METTL14 mRNA穩(wěn)定性。此外，由piRNA-14633調(diào)控的METTL14可能靶向CC細(xì)胞中的CYP1B1，從而促進(jìn)CC細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲能力。Han等的研究表明，piRNA-30473通過(guò)調(diào)節(jié)WTAP在彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤（DLBCL）中發(fā)揮作用。作為DLBCL患者的陰性預(yù)后指標(biāo)，piRNA-30473在DLBCL中過(guò)表達(dá)，且通過(guò)調(diào)節(jié)WTAP和IGF2BP2的表達(dá)來(lái)調(diào)控m6A甲基化水平，IGF2BP2是一種m6A readers，可以通過(guò)增加HK2 mRNA的穩(wěn)定性來(lái)上調(diào)細(xì)胞中靶向其mRNA 5’UTR的HK2表達(dá)。這兩項(xiàng)研究都表明，piRNA通過(guò)調(diào)控m6A甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)來(lái)發(fā)揮m6A修飾的作用。
此外研究還發(fā)現(xiàn)，piRNA可以通過(guò)與某些m6A甲基轉(zhuǎn)移酶相互作用并影響其活性來(lái)調(diào)控細(xì)胞全基因組m6A水平。例如，Liu等發(fā)現(xiàn)piRNA-36741通過(guò)調(diào)控BMP2的METTL3依賴(lài)性m6A甲基化來(lái)調(diào)控成骨細(xì)胞分化。CHAPIR（心肌肥大相關(guān)piRNA）-PIWIL4復(fù)合體通過(guò)與METTL3互作并阻止Parp10 mRNA轉(zhuǎn)錄本的m6A甲基化來(lái)上調(diào)Parp10表達(dá)，從而抑制NFATC4在細(xì)胞核中的積累，進(jìn)而促進(jìn)病理性肥大和重塑心臟。從機(jī)制上講，這兩項(xiàng)研究都得出結(jié)論，piRNA-PIWIL4復(fù)合體直接與METTL3互作并調(diào)控METTL3介導(dǎo)的靶向基因轉(zhuǎn)錄本的m6A修飾。
盡管這些研究證明piRNA-PIWI蛋白復(fù)合體可以通過(guò)調(diào)控m6A甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)或影響其m6A活性來(lái)發(fā)揮m6A修飾的作用，但幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仍未解決。例如，piRNA可以通過(guò)PIWI蛋白招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，以調(diào)控靶基因的DNA甲基化，類(lèi)似于miRNA，piRNA作為一種ncRNA與mRNA的3’UTR或CDS區(qū)結(jié)合。因此某些piRNA是否只調(diào)控與其結(jié)合的靶基因的m6A水平，就像DNA甲基化一樣，而不是細(xì)胞的全基因組m6A水平。此外，深入研究這一問(wèn)題也有望闡明m6A如何在轉(zhuǎn)錄組中特異性和動(dòng)態(tài)沉積的分子機(jī)制。而目前只進(jìn)行了少量的研究，piRNA和m6A調(diào)控機(jī)制在人類(lèi)癌癥中具有巨大潛力，應(yīng)進(jìn)一步研究來(lái)挖掘深層次的內(nèi)部機(jī)制。
組蛋白修飾
核小體是染色體功能的基本單位，由146對(duì)堿基圍繞組蛋白八聚體形成，組蛋白八聚體由四種組蛋白（H2A、H2B、H3和H4）的兩個(gè)分子組成。真核生物的一些組蛋白能夠穩(wěn)定核小體，而組蛋白末端的游離氨基酸殘基可以進(jìn)行共價(jià)修飾，如甲基化、乙�；�、磷酸化、泛素化、腺苷二磷酸核糖基化和糖基化，其中甲基化和乙�；莾煞N重要修飾。組蛋白乙�；怯山M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）和組蛋白去乙�；福℉DAC）介導(dǎo)的可逆動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。HAT可以將乙酰輔酶A攜帶的乙�；D(zhuǎn)移到組蛋白N末端的特定賴(lài)氨酸殘基上，乙酰基中和殘基攜帶的正電荷，從而擴(kuò)大DNA構(gòu)象并放松核小體結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)DNA與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合并激活特定基因的轉(zhuǎn)錄。組蛋白甲基化通常發(fā)生在賴(lài)氨酸和精氨酸殘基上，不同位點(diǎn)的甲基化對(duì)組蛋白功能有不同的影響。這些修飾酶可分為兩部分，一部分是活性標(biāo)記，另一部分是抑制性標(biāo)記。組蛋白H3賴(lài)氨酸4三甲基化（H3K4me3）、H3和H4乙酰化以及組蛋白H3賴(lài)氨酸36（H3K36me2和H3K36me3）是活性標(biāo)記，有利于核小體三維結(jié)構(gòu)開(kāi)放染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄通路的形成。而抑制性標(biāo)記如組蛋白H3賴(lài)氨酸9和27（H3K9me3和H3K27me3）的三甲基化，能夠產(chǎn)生濃縮的染色質(zhì)。
不同種類(lèi)的piRNA可以招募相應(yīng)的組蛋白修飾酶，從而產(chǎn)生不同的效果。如一項(xiàng)研究表明，pi-sno75可以上調(diào)促凋亡蛋白TRAIL表達(dá)，并在乳腺癌中發(fā)揮抑制作用。從機(jī)制上說(shuō)，pi-sno75與PIWIL1/4結(jié)合并通過(guò)招募MLL3/hCOMPASS復(fù)合體誘導(dǎo)TRAIL的H3K4甲基化/H3K27去甲基化。Wu等人證明CDKN2B相關(guān)的piRNA、hsa-piR-011186和hsa-piR-014637在白血病細(xì)胞U937中高表達(dá)，其表達(dá)上調(diào)可抑制CDKN2B表達(dá)，從而促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。從機(jī)制水平來(lái)說(shuō)，hsa-piR-011186和hsa-piR-014637與DNMT1、Suv39H1和EZH2蛋白形成復(fù)合體，調(diào)節(jié)CDKN2B啟動(dòng)子位點(diǎn)中DNA和組蛋白H3的甲基化水平。這種特異性的piRNA復(fù)合體加速了細(xì)胞周期的表觀遺傳修飾，為白血病的進(jìn)展提供了新見(jiàn)解。另一項(xiàng)研究表明，浸潤(rùn)性乳腺癌（IBCs）中PIWIL2的低表達(dá)與DNMT1、組蛋白H1、HP1和SUV39H1的下調(diào)之間存在強(qiáng)相關(guān)性，這與染色質(zhì)可及性和基因組甲基化有關(guān)。導(dǎo)致DNA去甲基化和轉(zhuǎn)座元件再激活的PIWI/piRNA功能障礙是許多腫瘤細(xì)胞基因組完整性和免疫應(yīng)答變化的表觀遺傳機(jī)制。此外在IBC中的反應(yīng)，PIWIL2低表達(dá)與免疫細(xì)胞毒性CD8+增加密切相關(guān)，證明了作為免疫療法的預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物的可行性以及可能的新型臨床診斷標(biāo)志物。
PIWI/piRNA的其他致癌機(jī)制
在生殖細(xì)胞中，依據(jù)其剪接酶活性，PIWI蛋白可以切割與piRNA互補(bǔ)的轉(zhuǎn)座子RNA，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子基因轉(zhuǎn)錄后沉默，這與piRNA生物合成有關(guān)。但這種情況在癌癥中有所不同，根據(jù)目前的研究，PIWI蛋白和piRNA作為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體來(lái)調(diào)控mRNA衰變（圖2）。例如，Liu等人發(fā)現(xiàn)PIWIL1作為APC/C復(fù)合體的共激活因子，在piRNA缺失的情況下靶向細(xì)胞粘附蛋白Pinin進(jìn)行蛋白水解泛素化，從而促進(jìn)胰腺癌轉(zhuǎn)移。Lin等人也證明在PIWIL1高表達(dá)的胃癌細(xì)胞中很難檢測(cè)到piRNA表達(dá)，PIWIL1敲除的piRNA結(jié)合活性仍然可以發(fā)揮促進(jìn)癌細(xì)胞生長(zhǎng)和腫瘤轉(zhuǎn)移的生物學(xué)功能。從機(jī)制上講，PIWIL1可能通過(guò)結(jié)合蛋白對(duì)抑癌基因表達(dá)進(jìn)行負(fù)調(diào)控，而結(jié)合蛋白是無(wú)義介導(dǎo)的mRNA衰變機(jī)制的核心因子。PIWI蛋白可以直接與某些功能蛋白（泛素酶和磷酸化酶）結(jié)合以不依賴(lài)于piRNA在腫瘤中發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控功能。當(dāng)然，這種現(xiàn)象是否也存在于正常細(xì)胞中需要進(jìn)一步研究。另外，許多piRNA可以類(lèi)似于miRNA機(jī)制，通過(guò)癌癥中的piRNA-RNA互作調(diào)控轉(zhuǎn)錄后網(wǎng)絡(luò)以抑制靶功能。在肺癌細(xì)胞中，piRNA可通過(guò)P-ERM、Caspase-3和Akt/mTOR調(diào)控癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、凋亡、遷移和侵襲。在結(jié)腸癌細(xì)胞中，piRNA通過(guò)HSF1、BTG1和FAS調(diào)控癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、凋亡和細(xì)胞周期轉(zhuǎn)運(yùn)。只有PWIL1蛋白在人結(jié)腸癌COLO205細(xì)胞中表達(dá)，而其他PIWI蛋白不表達(dá)。在與hpv16/18相關(guān)的頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中，piRNA FR140858缺失可能促進(jìn)微染色體維持復(fù)合體組分7的表達(dá)。在乳腺癌中，PIWIL1與piR-36712結(jié)合形成RISC并靶向降解SEPW1的逆轉(zhuǎn)錄假基因SEPW1P，隨后通過(guò)SEPW1 mRNA與SEPW1P RNA競(jìng)爭(zhēng)microRNA-7和microRNA-324來(lái)下調(diào)SEPW1表達(dá)并抑制增殖、遷移和侵襲。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中，piRNA-39980直接靶向JAK3基因，從而誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、增強(qiáng)轉(zhuǎn)移并抑制其衰老。在膀胱癌中，piRNA DQ594040表達(dá)下調(diào)，piRNA DQ594040通過(guò)靶向TNFSF4抑制膀胱癌細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
需要進(jìn)一步研究PIWI如何以不依賴(lài)于piRNA的方式調(diào)控和發(fā)揮作用；還有必要進(jìn)一步探討是否有新的不同于常規(guī)piRNA的小RNA參與PIWI在癌癥中的調(diào)控和功能，或者可能有新的PIWI功能相關(guān)蛋白參與PIWI的調(diào)控和功能。這些關(guān)于PIWI在癌癥中的作用和機(jī)制的深入研究最終將為PIWI在癌癥精確治療中的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
與piRNA/PIWI蛋白相關(guān)靶向治療的未來(lái)前景
腫瘤治療目前還受低效和侵入性診斷工具以及治療引起的不良后果的困擾（如恢復(fù)率低、缺乏普遍性和頻繁隨訪等），但更具針對(duì)性的靶向治療和相關(guān)診斷方法已經(jīng)出現(xiàn)。靶向治療，旨在在腫瘤發(fā)生過(guò)程中切斷特異性通路和功能蛋白，尤其是具有異常表達(dá)的突變分子�，F(xiàn)已檢測(cè)到多種piRNA和PIWI蛋白在腫瘤生殖細(xì)胞和其他癌組織中下調(diào)或上調(diào)，以促癌發(fā)生或抑癌生長(zhǎng)。新出現(xiàn)的證據(jù)表明piRNA和PIWI蛋白在病理分級(jí)或臨床轉(zhuǎn)移中的高度惡性相關(guān)。在腫瘤中，piRNA/PIWI復(fù)合體能夠通過(guò)表觀遺傳通路調(diào)控致癌作用。piRNA/PIWI蛋白的表觀遺傳機(jī)制基于基因水平來(lái)促進(jìn)或抑制細(xì)胞增殖、遷移和轉(zhuǎn)移。在未來(lái)或許可以通過(guò)上調(diào)或下調(diào)piRNA/PIWI復(fù)合體表達(dá)來(lái)改變與參與癌癥發(fā)生特異性通路的m6A RNA、組蛋白和DNA甲基化修飾相關(guān)分子的表達(dá)或穩(wěn)定性。當(dāng)然，如果在一種癌癥中檢測(cè)到更多由piRNA/PIWI復(fù)合體調(diào)控的更多表觀遺傳通路，那制備靶向藥物的幾率將加大。
miRNA在腫瘤靶向治療中的應(yīng)用存在三個(gè)問(wèn)題：特異性，可遞送性和耐受性，而piRNA則具有很大的改善。首先在特異性方面，一是大多數(shù)piRNA在生殖細(xì)胞和癌細(xì)胞中表達(dá)，表明其具有良好的細(xì)胞特異性；二是piRNA與靶基因堿基互補(bǔ)配對(duì)，并在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因表達(dá)，表明其具有良好的基因特異性。但piRNA與miRNA也存在相似的問(wèn)題，如脫靶效應(yīng)和由序列相似或過(guò)量誘導(dǎo)的免疫原性等問(wèn)題，遠(yuǎn)高于預(yù)期的內(nèi)源水平。其次在可遞送性方面，因?yàn)閜iRNA的3'端具有2'-O-甲基化結(jié)構(gòu)，所以piRNA在血液中比miRNA更穩(wěn)定，因此piRNA具有更好的可遞送性。第三，關(guān)于耐受性或副作用，piRNA和PIWI蛋白由于其在細(xì)胞中的特異性表達(dá)而具有較少的副作用。因此，憑借這些優(yōu)勢(shì)，PIWI/piRNA將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
結(jié)論
癌癥是危害人類(lèi)健康的致命性疾病。盡管醫(yī)學(xué)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家們一直致力于癌癥治療的研究，但到目前為止仍然是一種難以征服的疾病，其中一個(gè)主要原因就是缺乏腫瘤特異性抗原。PIWI/piRNA通常僅在生殖細(xì)胞和癌性腫瘤組織中表達(dá)，但在正常體細(xì)胞組織中幾乎不表達(dá)，使其成為精準(zhǔn)靶向治療的潛在靶標(biāo)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，關(guān)于PIWI/piRNA復(fù)合體的新研究信息不斷出現(xiàn)。PIWI/piRNAs介導(dǎo)的表觀遺傳調(diào)控在生殖細(xì)胞發(fā)育中起重要作用，包括DNA甲基化、組蛋白甲基化、組蛋白乙�；徒M蛋白泛素化，不僅可以在轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)揮重要的調(diào)控作用，而且PIWI家族蛋白可以在piRNA誘導(dǎo)下對(duì)mRNA進(jìn)行切割，這也顯示出轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控作用。然而PIWI/piRNA在癌癥中的調(diào)控機(jī)制有所不同。大部分研究發(fā)現(xiàn)PIWI蛋白和piRNA是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體對(duì)腫瘤發(fā)揮調(diào)控作用。因此，有必要進(jìn)一步研究PIWI蛋白如何以不依賴(lài)于piRNA的方式在腫瘤中發(fā)揮其調(diào)控功能。
本綜述還討論了人類(lèi)癌癥中PIWI/piRNA復(fù)合體的四種可能的調(diào)控機(jī)制，如核酸內(nèi)切酶、DNA甲基化、組蛋白調(diào)控，以及m6A甲基化的最新研究（表1）。目前關(guān)于m6A甲基化的研究很少，需要更多的研究來(lái)分析PIWI/piRNA介導(dǎo)的m6A修飾在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中的作用。深入研究表觀遺傳學(xué)機(jī)制有助于完善腫瘤發(fā)生機(jī)制的理論。通過(guò)進(jìn)一步研究，PIWI/piRNA可能成為腫瘤診斷的小分子標(biāo)志物，并促進(jìn)腫瘤診斷和治療的發(fā)展。
表1：PIWI/piRNA在各種癌癥中的作用參考文獻(xiàn)：Zhang Q, Zhu Y, Cao X, Tan W, Yu J, Lu Y, Kang R, Wang X, Li E. The epigenetic regulatory mechanism of PIWI/piRNAs in human cancers. Mol Cancer. 2023 Mar 7;22(1):45.
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