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tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子

tRNAs曾經被認爲是高丰度的、广泛存在的、被动参与的mRNA解碼器及蛋白翻譯元件。通過tRNA上的反密碼子與mRNA的密碼子結合，搬运指定的氨基酸以完成蛋白翻译。攜帶同種氨基酸而反密碼子不同的tRNAs被稱爲“isoacceptors”；攜帶同種氨基酸且反密碼子相同，但序列不同的tRNAs則互爲“isodecoders”。最新的科研進展意外地發現tRNA isoacceptors和isodecoders具有特異性的、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在體液中高丰度存在的特點使其成爲臨牀應用的生物標誌物。深入探究tRNAs的潛在功能讓這個經典的分子煥發新生。

經典教科書中的認知

最新前沿進展

l 普通的，被动参与蛋白翻译的RNA

l 高丰度，广泛存在的

l 細胞、组织、疾病和时序特异性表达

l Isoacceptors通過擺動解碼效應調控翻譯

l Isodecoders影響生理進程和疾病發生

l tRNAs和tRNA衍生小片段tRF&tiRNA可作爲高丰度的體液檢測生物標誌物

細胞、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)，而且在腦、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)。這種表達特異性與生物學功能和病理生理學緊密關聯，赋予tRNA更好的生物标志物潜力。

圖1.(A)增殖和分化狀態的細胞有不同的tRNA表達譜特徵[1]。(B)tRNAs具有組織、器官、发育阶段特异性表达[2]。(C) tRNAs在不同人體組織和疾病中差異表達。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表達[3]。

Isoacceptors的擺動解碼(wobble decoding)影響蛋白翻譯

攜帶每種氨基酸的tRNA isoacceptor家族組成了tRNA庫，参考该tRNA庫可以更好地研究tRNA的密碼子使用偏好、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庫中攜帶同工/近似同工反密碼子tRNA的比例可被動態調控從而影響翻譯效率、準確性和轉錄本穩定性(Fig.2)[4]。在各種條件下，tRNA庫會發生改變來維持穩態或促進特定的基因表達進程[5]。Isoacceptor表達水平的紊亂可導致癌症(Fig.3A)[6]和神經退行性疾病(Fig.3B)[7]等疾病的发生。

圖2.(A)當同工tRNA供應量超過蛋白翻譯需求量時稱爲最優密碼子。当同工tRNA供應不足或需要使用近似同工tRNA時稱爲非最優密碼子。(B)最優密碼子加快翻譯速率並提高解碼精確性。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)經過最優密碼子時更快的翻譯延伸速率可保護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。

圖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的翻譯，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可以正確翻譯亨廷頓蛋白中的多聚谷氨醯胺鏈PolyQ重複區域，tRNA-Gln-CUG含量降低則會導致移碼翻譯（编码Gln的密碼子CAG閱讀框前移一位變爲編碼Ala的密碼子GCA）产生错误的多聚丙氨酸链PolyA。亨廷顿蛋白中Q/A的比率決定了蛋白聚集狀態（52Q正常狀態，20Q/12A中間態，17A致病聚集狀態）从而影响亨廷顿舞蹈症的严重程度[7]。

Isodecoders影響生物學過程和疾病發生

高度保守的tRNA isodecoder序列可呈現不同的組織特異性表達，其发挥的功能也具有明显差异。例如，小鼠的5種tRNA-Arg-UCU isodecoders只有一種在中樞神經系統(CNS)中特異性表達(Fig.4A)。它的缺失會引發mRNA上核糖體停滯，ATF4驅動的壓力應激反應和廣泛的神經變性(Fig.4B, C, D)。因此CNS特異性表達的isodecoder具有維持神經元細胞穩態和防止神經變性的新功能[8]。

图4. (A) CNS特異性表達以及“管家”tRNA-Arg-UCU isodecoder基因序列 (B) CNS特異性表達的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特異性tRNA-Arg-UCU isodecoder 的神经变性脑 [8].

非經典、非翻译元件的调控型tRNA功能

tRNA可以通過不直接參與蛋白翻譯的方式調控細胞功能。例如，tRNA可以結合並抑制細胞色素C在凋亡過程中形成凋亡複合體 (Fig. 5)[9,10]。因此，tRNA可作爲凋亡抑制因子。

圖5. tRNA結合細胞色素C，抑制凋亡复合体形成，进而抑制细胞凋亡[9,10]。

在熱休克、缺氧或营养剥夺等多种细胞压力下，tRNA也是最早的應答分子，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從胞質重新運回胞核，使胞质中参与蛋白翻译的tRNA庫耗竭; (B) tRNA 3’CCA 臂失活; (C) 缺氧诱导tRNA斷裂形成tRF和tiRNA片段，抑制蛋白翻译起始。(D)在營養匱乏期間，tRNA修飾重編程促進氨基酸合成途徑中蛋白質/酶的翻譯[11]。

tRNA作爲體液檢測的生物標誌物

小RNA(例如microRNA)已被廣泛地用作生物標誌物。由于tRNA的很多理想特徵，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片段大量富集於神經元細胞外泌體中，成为仅次于rRNA的第二豐富RNA種類，含量远超miRNA (Fig. 7B)[14]。