trna的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子-凯发app

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]。