tRNA生物学重要性及研究思路

研究表明，tRNA 谱的变化会影响细胞发育过程中的命运决定，并在肿瘤、神经退行性疾病与病毒感染中留下痕迹。 参考文献 [4]、[8]、[16]、[17]

研究背景

tRNA 的学名是转运 RNA（Transfer Ribonucleic Acid），在体内所有短链非编码 RNA 中丰度最高。它一边携带氨基酸、一边参与蛋白翻译，把 mRNA 与蛋白质连接起来，是两者之间的关键桥梁。tRNA 虽然遍布各类生物，但不同基因组对密码子的偏好并不一样，各自的 tRNA 谱因此不同；密码子的偏好又直接决定翻译的效率与精确性 [1-3]。换句话说，tRNA 谱一旦改变，细胞的多种生理活动都会受到波及，这就是研究 tRNA 谱的意义所在。

tRNA 谱与细胞命运

细胞在发育过程中走向哪种命运，会受到 tRNA 谱变化的牵动。增殖 [4]、分化 [4, 5] 和凋亡 [6] 这些生命活动，都伴随 tRNA 水平的起落。有一个对应关系值得一提：细胞维持相关基因与细胞多态性相关基因在密码子使用上差异明显，而增殖、分化所引发的 tRNA 谱改变，恰好分别对准这两类基因（图1）。此外，细胞维持相关基因的 mRNA 会在增殖细胞和肿瘤细胞里被专门诱导表达，这个现象说明转录与翻译之间是直接联通的 [4]。实验中过表达起始 tRNA（tRNAiMet），整个 tRNA 表达谱都会被改写，细胞代谢能力与增殖能力随之增强 [5]。凋亡环节同样有 tRNA 参与：它能干预细胞色素 C 介导的凋亡小体形成 [6]，而体外显微注射实验进一步显示，tRNA 可以挡住细胞色素 C 介导的凋亡途径 [7]。一句话总结，tRNA 谱是调节细胞生理状态的多面手。

图1. tRNA谱与转录组的变化相适应。

tRNA 谱与疾病

除了左右细胞状态，tRNA 谱在疾病的发生发展中同样占有一席之地。举例来说，tRNA 表达一旦乱掉，就可能诱导肿瘤 [5]，这正是 tRNA 表达谱研究能帮助理解人类疾病病理机制的原因。

癌症。Gingold 等人对比肿瘤细胞与分化细胞的 tRNA 表达谱，看到了显著差异 [4]：分化细胞或静息状态细胞中高表达的那批 tRNA，到了增殖细胞里会被压低；反过来，增殖细胞中高表达的 tRNA，在分化或静息状态的细胞里表达量偏低。癌细胞还会主动改写自己的 tRNA 谱，为自身的发生发展服务。Pavon-Eternod 把乳腺癌与正常乳腺组织的 tRNA 水平做了比较，结果显示乳腺癌的细胞核与线粒体 tRNA 都发生了显著改变，tRNA 因此被认为可以充当乳腺癌的分子标记物 [12]。Goodarzi 等人的工作则聚焦转移过程：乳腺癌细胞在获得转移能力时，部分特定 tRNA 的表达水平升高，其中 tRNAGlu-UUC 与 tRNAArg-CCG 的变动可能是转移的诱发因素之一；tRNAGlu-UUC 能推高 EXOSC2 与 GRIPAP1 的蛋白表达，肿瘤转移由此被促进 [8]。总的判断是，tRNA 表达谱紊乱对肿瘤发生发展的影响相当深远 [5, 8-15]。

亨廷顿舞蹈症。该病属于发病率偏高的遗传性神经退行性疾病，病因是亨廷顿蛋白末端的多聚谷氨酰胺异常增多。患者脑组织的分析显示，多聚谷氨酰胺内部能找到多聚丙氨酸与多聚丝氨酸的痕迹。这些多聚氨基酸的来源很可能是阅读框移位：编码谷氨酰胺的 CAG 被读成编码丙氨酸的 GCA，或者被读成编码丝氨酸的 AGC。Girstmair 等人确认，tRNAGln-CUG 供应不足正是诱发这类移码错误的关键；移码蛋白究竟长成什么形态，还会受谷氨酰胺与丙氨酸比例的左右。由此可以推断，tRNA 表达紊乱以及随之而来的移码翻译，可能与亨廷顿舞蹈症的发病、乃至患者之间的个体差异有关 [16]。

病毒感染。病毒的蛋白合成完全依靠宿主翻译体系，tRNA 库自然也在其中，所以通常认为病毒会主动适应宿主的 tRNA 库——只有病毒基因的密码子使用与宿主足够接近，蛋白合成效率才上得去。但实际情况里，很多病毒基因的密码子使用与宿主对不上。Pavon-Eternod 的结论是：甲型流感病毒（influenza A）与牛痘病毒（vaccinia virus）采取的是"挑选"策略，而不是去"调整"宿主的 tRNA 库，以此优化自身翻译 [17]。HIV-1 的情况更复杂一些：它的早期基因密码子使用与宿主相当接近，晚期基因却不是这样；进入感染后期，宿主 tRNA 库反而更贴合 HIV-1 的蛋白翻译需求 [18]。这些结果说明，病毒确实能调动宿主 tRNA 库，来匹配自己的蛋白质合成。

参考文献

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• [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. PMID: 23352662
• [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. PMID: 23254333
• [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. PMID: 21216840

相关服务

数谱生物围绕 tRNA 谱的筛选提供两条主线。一条先找差异表达的分子：用 nrStar™ tRNA PCR 芯片或 tRNA 测序做高通量筛选，再用大样本验证与临床分析判断它有没有成为生物标志物的可能。另一条研究功能与机制：用 GOF 与 LOF 实验确认功能，并与 mRNA 表达谱联合分析，把调控机制往下追。若要系统研究 tRNA，还可以沿序列修饰与生成通路展开——LC-MS tRNA 修饰检测用于分析 tRNA 序列上的碱基修饰，NuRNA™ tRNA Modification Enzymes PCR 芯片检测 tRNA 修饰过程中起关键作用的酶与蛋白因子；成熟 tRNA 生成通路上的酶与蛋白因子，则可通过小 RNA 生物合成相关芯片一并评估（图2）。

图2. tRNA 研究技术路线：从表达谱的高通量筛选（tRNA PCR 芯片 / tRNA-seq）出发，分别通向标志物研究、功能研究与调控机制研究三条路径。

图2. tRNA 研究技术路线：从表达谱的高通量筛选（tRNA PCR 芯片 / tRNA-seq）出发，分别通向标志物研究、功能研究与调控机制研究三条路径。