Cell重大發現：tRNAs促進腫瘤轉移

轉運RNAs（tRNAs）最初被認為是基因表達的靜態參與者，但是6月2號，洛克菲勒大學的H. Goodarzi研究團隊在Cell上發表的文章證明，tRNA也是基因表達的動態調節器，可影響疾病進展。接下來讓我們一起來看看他們的研究成果吧。

H. Goodarzi研究團隊發現，在人類乳腺癌中，某些特殊的tRNAs表達水平上升會使細胞獲得轉移能力。通過相關實驗表明，tRNA^Glu_UUC與tRNA^Arg_CCG是乳腺癌轉移的助推因子。這些tRNAs的增多會增強穩定性與轉錄物的核糖體結合性，這些轉錄物富含同源密碼子。特別是tRNA^Glu_UUC通過直接增強EXOSC2表達與增強GRIPAP1來構成一條受tRNA驅使的“可誘導”通路，從而促進癌癥轉移。tRNA因此成為了基因表達的動態調節器，而tRNA密碼子譜則能影響疾病進展。

在這個研究中，研究者設置了5種不同人類細胞株實驗組。這5種細胞分別是：非腫瘤的上皮細胞系，低轉移性的乳腺癌細胞系MDA-231與CN34，以及與他們對應的高轉移性亞株MDA-LM2、CN-LM1a。

原來tRNAs表達會插手癌細胞轉移

通過特殊的tRNA建庫技術（此為本研究中的關鍵，詳見原文），結合高通量測序得到的tRNA表達譜顯示乳腺癌細胞株系中的tRNAs表達水平與那些非腫瘤細胞不同。研究者在MDA-231與CN34親本癌細胞群體內選擇具有高轉移能力的細胞株，對比后發現它們在tRNAs豐度上具有相似改變。這些在tRNAs水平上的協同調節說明tRNAs在促進癌癥進程中起指導作用。實驗結果表明相比起親本細胞，高轉移性細胞（MDA-LM2與CN-LM1a）中的tRNA^Arg_CCG與tRNA^Glu_UUC不管在tRNAs前體水平、成熟tRNAs水平還是基因座都呈現出協同增加。那么tRNA^Arg_CCG與tRNA^Glu_UUC的增加意味著什么呢？研究者通過實驗得到下面一個結論。

 他們就是幕后推手: tRNA^Glu_UUG與tRNA^Arg_CCG

在MDA-LM2細胞中減少tRNA^Glu_UUG與tRNA^Arg_CCG水平會使細胞的轉移能力下降；反之，過表達tRNA^Glu_UUG與tRNA^Arg_CCG水平會使原本低轉移能力的細胞獲得更強的轉移能力。這些結果表明，特定的tRNAs的豐度增加能促進乳腺癌細胞的轉移。同時，過表達這些tRNAs的細胞，其侵襲能力明顯增強；反之則反。

研究團隊通過實驗驗證了這些發現的生物相關性，并排除了由shRNA表達而引起的脫靶效應影響；還證明了人類乳腺癌細胞中的tRNA^Glu_UUG與tRNA^Arg_CCG表達水平相互影響且可預測轉移傾向。

什么?它們還會影響轉錄穩定性與翻譯過程?

除了促進轉移外，過表達這兩種tRNAs還會影響什么呢？研究者發現，在tRNA^Glu_UUC過表達細胞中，編碼序列中GAR（GAA和GAG）含量較高的基因顯著富集；類似的，高CGG含量的基因在tRNA^Arg_CCG過表達細胞中會有更高的翻譯量。此外，通過影響蛋白質對應的密碼子使用與細胞tRNA含量，可調節蛋白表達水平；在tRNA^Glu_UUG與tRNA^Arg_CCG過表達細胞中，對應的GAR與CGG含量越高的轉錄物總體來說更加穩定。總而言之，腫瘤細胞的tRNA^Glu_UUG表達水平對其蛋白質譜有重要的調控作用，目標蛋白對密碼子使用的變化就可以部分的支持這個結論。

發現tRNA^Glu_UUG下游靶標!

研究者根據癌細胞中，調控tRNA^Glu_UUG而引起的結果以及tRNA^Glu_UUG對轉移能力的影響，作出假設：一組核心基因可能會是tRNA^Glu_UUG作為總調節因子的下游主要影響因子。通過全基因組數據庫與核糖體表達譜數據，他們識別出EXOSC2與GRIPAP1是這種核心靶基因，這些基因在高轉移性細胞中的水平要高于低轉移性細胞。研究者通過Western blots與異位顯性實驗，證明了EXOSC2與GRIPAP1是過表達tRNA^Glu_UUG的下游靶標，且當tRNA^Glu_UUG過表達時，癌細胞能利用這些蛋白引起預轉移現象。

研究者還進行了臨床關系性實驗，所得數據不僅支持了他們關于tRNAs調節在促進轉移方面所起到的作用的實驗結果，而且還佐證了基于tRNAs的通路的發現方法，可作為一種識別轉錄后調節基因的方法，而通常這種基因有可能不能被傳統的轉錄組圖譜發現。

tRNA偏向性，核糖體占位與蛋白表達的關系

研究人員還嘗試理清tRNA偏向性，核糖體占位與蛋白表達的關系。他們觀察后發現，隨著核糖體占位的增加，高tRNA偏向性的基因明顯富集；不同的tRNAs表達水平能通過影響核糖體附著轉錄的豐度來影響翻譯結果。由于tRNAs在轉錄中的決定性作用，故tRNAs豐度的失調會嚴重影響細胞蛋白表達譜。結果顯示tRNAs密碼子譜會嚴重影響癌癥亞群的表達。差異化的tRNAs表達水平能通過影響核糖體結合轉錄物豐度從而影響翻譯結果。

這個研究提出了一個想法，除了很多已知的調節機制外，調節癌細胞tRNA譜可以影響癌癥進程啟動子表達。研究結果也顯示了特殊的tRNAs能與他們的直接作用的轉錄物形成“可誘導”通路，這些通路能富集他們的同源密碼子。值得注意的是，雖然這個研究只是專注于乳腺癌轉移，但是這種基于tRNA表達譜的研究方式是通用的，且能用于其他疾病研究并拓展到其他模型與物種。

原文：Goodarzi H, Nguyen H C B, Zhang S, et al. Modulated Expression of Specific tRNAs Drives Gene Expression and Cancer Progression[J]. Cell, 2016, 165(6): 1416-1427.

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