轉錄組的重編寫：腺苷到肌苷RNA 堿基在腫瘤進展中的作用

唐人宇 楊瑞豐 伍健雄 鄧培妍 楊磊

廣州醫科大學公共衛生學院（廣東廣州 511436）

1 前 言

高通量測序技術和生物信息分析手段的跨越式發展，深度揭示了人類基因組和轉錄組中廣泛存在的遺傳改變，為探索疾病病因、篩查診斷、靶向治療和解析腫瘤耐藥機制提供了新的靶點。遺傳變化主要由基因突變和遺傳飾變兩種機制造成，在腫瘤新療法的決策和開發中起著引領作用。目前靶向治療的選擇和療效大多取決于腫瘤組織是否存在特定的驅動基因突變。然而，根據Barlesi F等對17 664名肺癌患者驅動基因突變譜的檢測結果顯示，約50%的患者癌組織缺乏可靶向的驅動基因突變［1］?？梢?，基于基因突變的治療靶點挖掘存在技術瓶頸。遺傳飾變是一種不涉及DNA改變的，只發生在轉錄和翻譯水平上的遺傳信息變化。RNA編輯是遺傳飾變的主要類型之一，其在轉錄后RNA水平上改變遺傳信息的過程。近年來隨著比較基因組學的發展，RNA編輯被報道在腫瘤的發生發展中起著關鍵作用［2-3］。人類超過7 0%的R N A 編輯為腺苷至肌苷編輯（adenosine-to-inosine RNA editing，AIRE），其是指轉錄前體RNA在腺苷酸脫氨酶（adenosine deaminase acting on RNA，ADAR）的作用下，某些特定位點的腺苷（A）發生脫氨反應轉變成為肌苷（I）的過程。在轉錄后翻譯調控中，I被識別作鳥苷（G），擾亂遺傳信息傳遞。AIRE失調在幾乎所有腫瘤中均有報道，可通過類似A＞G基因突變的功能而導致氨基酸編碼改變、RNA剪切異常以及microRNA-mRNA重定向等而參與腫瘤的發生、進展和耐藥［4］。本文將系統介紹AIRE的研究現狀，包括其生物學調控機制和與不同腫瘤發生發展的關聯，以期為后續廣泛揭示AIRE在腫瘤中的作用研究提供思路。

2 AIRE 的生物學作用機制

AIRE的生物學作用機制很大程度上由其所在的基因功能區間決定（圖1）。一般而言，位于mRNA編碼區的AIRE位點可引起同義或非同義突變；位于非翻譯區（untranslated region，UTR）可導致微小RNA（microRNA，miR）或RNA結合蛋白（RNA binding protein，RBP）的結合改變；位于非編碼RNA如microRNA和長鏈非編碼RNA的AIRE會影響他們的結構或與靶標基因的結合。此外，位于內含子區的AIRE還可引起選擇性剪接的異常。這些機制給腫瘤細胞在轉錄組和蛋白組組學方面引入了多樣性和異質性，廣泛參與癌癥的發生發展。

圖1 腺苷至肌苷RNA 編輯在腫瘤發展中的作用機制

2.1 AIRE引起同義或非同義突變

發生于編碼區的AIRE一方面可引起氨基酸的非同義突變而參與腫瘤的進程，大大提升了腫瘤蛋白組學多樣性［5-6］。關于這類功能的探索，研究最多的是AZIN1S367G［7-11］和COPAI164V［5，12-15］。AZIN1S367G可導致AZIN1蛋白第367位氨基酸由絲氨酸變異為甘氨酸，從而賦予AZIN1功能獲得性表型，促進多種腫瘤的增殖與轉移。COPAI164V則可引起COPA第164位氨基酸由異亮氨酸替換為纈氨酸，直接導致COPA由促癌作用轉變為抑癌功能。其他引起氨基酸非同義突變而參與腫瘤進程的AIRE位點還包括，KPC1M8V［16］、RHOAR17 6G［17］、FLNBM2293V［11，15，18］、CDK13Q10 3R［19］、GLI1R701G［20］、PDZD7Stop518W［21］、C O G 3 I 6 3 5 V［10，22］、G R I A 2 Q 6 0 7 R［23］、G R I A 2 R 7 6 4［10］、G N E I L 1 K 2 4 2 R［24］、S L C 2 2 A 3 N 7 2 D［25］、I G F B P 7 K 9 5 R［26］、Gabra3I342M［27］、RHOQD137S［28］。其中，一個值得關注的特例是PDZD7Stop518W。該編輯可導致PDZD7原始的終止密碼子被繞過，形成一個C末端有18個氨基酸延伸的新蛋白，最終弱化PDZD7的致癌效應［21］。另一方面，導致同義突變的AIRE事件近年來也逐漸引起廣泛關注。盡管此類AIRE不改變氨基酸編碼，但研究顯示它們富集于蛋白泛素化區域，提示其可能影響目標蛋白質的降解［29］。例如，存在于BLCAP上的AIRE可誘導該蛋白泛素化降解而失去抑癌功能［30］。然而，這一機制仍有待更多證據闡明。此外，AIRE對氨基酸編碼的改變可能導致腫瘤新抗原的出現［31］，這對腫瘤新藥研發具有十分重要的意義，值得深入挖掘。

2.2 AIRE誘導miR-mRNA重定向

MiR主要通過堿基互補配對與靶基因mRNA的3′-UTR結合，在轉錄后水平調控基因的表達。因此，位于miR成熟體和mRNA 3′-UTR的AIRE位點，可通過影響堿基互補配對而改變miR對靶基因的選擇?，F有證據顯示，發生在miR上的AIRE可導致：miR-3144-3p失去對MSI2的抑制但新增對SLC38A4的調控［32］；miR-379-5p缺失對PTK2的結合而新增對CD97的抑制［33］；miR-200b失去了抑制原始靶標如ZEB1的能力但獲得了靶向LIFR等新基因的能力［34-35］；miR-589-3p缺失對PCDH9的結合而新增對ADAM12的抑制［36］；miR-376a失去了抑制RAP2A的能力但獲得了靶向AMFR的能力［37］；miR-411-5p新增對MET的抑制［38］；miR-378a-3p新增對PARVA的抑制［39］；miR-455失去對CPEB1的抑制［40］。有趣的是，導致MTL3發生同義突變的AIRE（UCA→UCG：Ser→Ser）也被報道可下調miR-532-5p對MTL3 mRNA的結合而促進該基因的表達，提示編碼區的AIRE也可參與microRNA-mRNA重定向調控［41］。存在于3′-UTR的AIRE具有類似效應，如AIRE導致MDM2與miR-155、PHACTR4與miR-196a-3p、DHFR與miR-25-3p和miR-125a-3p、ARHGAP26與miR-30b和miR-573的結合位點丟失［42-45］。

2.3 RBP-mRNA結合紊亂

RBP可識別和結合特定RNA序列而調控mRNA的翻譯、穩定性及可變剪切等，參與基因的轉錄后調控過程。有研究報道，SCD1基因3′-UTR區的AIRE可影響P62蛋白的結合而促進其mRNA的穩定性［46］。提示，AIRE可擾亂RBP對目標RNA的結合。

2.4 選擇性剪接調控

在轉錄過程中，內含子會被轉錄至前體RNA，對選擇性剪接發揮一定的調節作用。位于基因內含子區的AIRE可影響該過程［19，47-48］。例如，ADAR前體mRNA中的兩個內含子編輯位點可通過控制其剪接模式而調節ADAR的翻譯效率［49］；HNRPLL基因內含子12上的三個AIRE可誘導產生一種與細胞增殖相關的新型剪接變異體，參與腎癌和膀胱癌的進程［50］。

2.5 非編碼RNA合成與成熟

非編碼RNA的序列變化可以影響自身空間結構而影響自身的穩定性或成熟［51］。研究顯示，ADAR對前體miR的編輯能影響miR-26a、miR-455-5p、miR-122的生物合成和表達水平，其可能機制在于堿基改變擾亂了核酸內切酶Drosha或Dicer的結合［42，52］。并且，AIRE亦可影響Drosha或Dicer的水平而廣泛參與miR-142和let-7等miRs的生物合成［53-55］。此外，AIRE也廣泛分布在環狀RNA反向剪接點200-400nt的側翼內含子區域，它們通過影響RBP的結合而調控環狀RNA的形成［56-57］。

總體而言，目前AIRE的功能探究仍主要圍繞編碼區和miR開展?？紤]到大多數的AIRE位于基因UTR、非編碼RNA和內含子上，對這些類型AIRE的功能探索在很大程度上仍停留在生物信息學分析階段，有待更多的實證證據支持。

3 AIRE 在腫瘤發生發展中的作用

AIRE自身強大的生物學功能決定了它在腫瘤發生發展機制中的一席之地。通過解析腫瘤轉錄組學譜尤其是癌癥基因組圖譜計劃（The Cancer Genome Atlas，TCGA）數據庫的二代測序數據，AIRE被報道在多數腫瘤中均異常上調，且大量的位點與不同腫瘤的發生發展存在顯著相關［6，58-61］。其中，具有代表性的研究有，Leng Han等解析了TCGA的17種腫瘤6 236名患者的組織RNA轉錄組，發現腫瘤組織中AIRE比正常組織更為多樣，并揭示數百個腫瘤關聯的AIRE事件［10］；Yumeng Wang等解析了miR轉錄組并報道了與多種腫瘤發生發展關聯的miR AIRE位點［34］。在此基礎上，進一步的研究深入解析了少數位點的生物學功能，如編輯型的miR-379-5p能顯著抑制腫瘤細胞增殖并誘導凋亡，其在腫瘤組織中低編輯且與頭頸部鱗狀細胞癌、腎癌、肺腺癌和甲狀腺癌預后均相關［62］。上述研究揭示的AIRE譜均上傳于不同的數據庫，為進一步研究腫瘤關聯的AIRE及其生物學功能奠定了基礎。

3.1 肺癌

對肺癌轉錄組的整體分析顯示，肺癌癌組織的總體AIRE水平顯著升高，且依據不同AIRE可將肺癌分為多種分子亞型，精準預測患者的預后和治療耐藥性［63-64］。肺癌預后關聯的AIRE位點也可作為預測因子，準確地估算總生存期［65］。進一步的功能研究顯示，miR-411-5p成熟體第五位堿基的AIRE水平在肺癌組織中下調，并誘導肺癌細胞對酪氨酸激酶抑制劑耐藥［38］。由AIRE導致RHOA異構體2的R176G變異能顯著促進肺腺癌細胞的增殖和轉移能力［17］。此外，有研究者評估了AIRE的變化，發現CTNNB1和FN1上的AIRE水平在α粒子輻射誘導肺上皮細胞惡化過程中上調，提示AIRE參與了肺癌變過程［66］。

3.2 結直腸癌

約2/3的腸癌表現出上調的AIRE狀態［67］。研究顯示，AIRE可誘導AZIN1S367G變異而增強腫瘤血管新生、細胞轉移、干性維持進而促進腸癌進展［7-9］。RHOQD137S在癌組織中過編輯，促轉移能力變強［28］。COPA基因的AIRE水平與腸癌免疫浸潤評分呈顯著正相關，可導致COPAI164V變異而劫持內質網應激，影響腸癌的轉移［13］。AIRE可導致抑癌基因BLCAP泛素化降解而促進腸癌細胞的增殖［30］。

3.3 肝細胞癌

AIRE總體水平在肝癌中異常上調并與肝癌患者預后顯著相關［68］。研究顯示，位于ADAR內含子上的兩個AIRE位點水平在肝癌組織中異常上調，其通過選擇性剪接而上調ADAR的表達，進而誘導MDM4等多個癌基因發生AIRE，最終加速肝癌進程［49］。COPAI164V編輯可誘導COPA由促癌分子向抑癌分子轉變，其在癌組織中編輯水平顯著低于癌旁正常組織，并預示肝癌高復發風險和乙肝病毒感染［14-15］。FLNBM2293V也被報道在肝癌組織中編輯上調［15］。

3.4 乳腺癌

乳腺癌癌組織相比正常乳腺組織具有更多的AIRE位點和更高的編輯水平［69］。研究顯示，FLNBM2293V在三陰乳腺癌組織中過編輯，且在高臨床分期的組織水平更高，顯著抑制了FLNB的抑癌功能［18］。導致MTL3發生同義突變的AIRE可通過MTL3/ARHGAP5/YTHDF1信號軸而促進乳腺癌的進展［41］。COPAI164V促進乳腺癌細胞的增殖而惡化患者預后［5］。Gabra3I342M僅在原位癌組織和非侵襲性的乳腺癌細胞中存在，其逆轉了Gabra3的促轉移作用［27］。DHFR的3′-UTR在乳腺癌組織中表現出高編輯趨勢，其增強了DHFR的穩定性而促進乳腺癌細胞活力和對甲氨蝶呤耐藥［44］。此外，基于4個預后關聯的AIRE位點構建的nomogram模型可較好地預測乳腺癌患者的總生存期和無病生存期［70］。

3.5 胃癌

Omer An等基于50個胃癌預后關聯的AIRE位點構建了胃癌RNA編輯標簽，發現該標簽與患者預后、化療敏感性均顯著相關［71］。AZIN1高編輯狀態與胃癌晚期T分期、淋巴結轉移、高TNM分期顯著相關，并提示總體生存率和無病生存率較低［72］。另外，位于SCD1 3′-UTR的AIRE可促進胃癌細胞對5-氟尿嘧啶和順鉑耐藥［46］。

3.6 食管癌

AZIN1S367G在癌組織中編輯上調，促癌作用增強［11］。SLC22A3N72D在癌組織中編輯上調，其可導致該蛋白表達降低而與淋巴結轉移相關［25］。PDZD7Stop518W也被報道在57%的食管癌癌組織中編輯水平下調［21］。IGFBP7K95R編輯保護IGFBP7免受基質酶水解而發揮促食管癌細胞凋亡的功能［26］。

3.7 膠質瘤

AIRE總體水平在膠質瘤中的狀態存在爭議。有研究報道膠質瘤包括膠質母細胞瘤相對于正常腦組織AIRE活性下調［22，73］，但也有研究報道膠質母細胞瘤中AIRE異常升高［74］。相對于其他膠質瘤，少突膠質細胞瘤受AIRE的影響最?。?3］。特異性分析膠質瘤組織長鏈非編碼RNA的AIRE，發現其在瘤組織中的總體水平顯著低于正常腦組織［75］。并且，與攜帶異檸檬酸脫氫酶突變的腫瘤相比，沒有異檸檬酸脫氫酶突變的腫瘤表現出更高的總編輯水平［76］。這些證據表明，膠質瘤中的AIRE水平存在顯著的腫瘤特異性。進一步的功能研究顯示，COG3I635V在膠質母細胞瘤中過編輯，其可促進腫瘤細胞增殖而惡化患者預后［22］；GRIA2Q607R編輯與膠質瘤的不同分子亞型有關，其在IV級膠質瘤中的水平低于II級膠質瘤且低編輯提示預后不良［23］；位于GM2A基因3′-UTR的AIRE可促進GM2A的表達，調控神經節苷脂分解代謝而促進膠質母細胞瘤的發生發展［74］；轉錄的超保守區域 uc.160+可增強 miR-376a的AIRE而改善神經膠質瘤預后［33］，miR-589-3p發生AIRE后，其生物學功能從促癌轉變為抑癌［39］；膠質瘤細胞miR-589-3p呈現低編輯狀態，其侵襲性下調［36］；CDC14B的表達受到內含子多個AIRE位點的影響，其編輯水平與星形細胞瘤惡性程度分級呈負相關［77］；miR-376a的編輯隨著膠質瘤的發生發展而減弱進而促進癌細胞侵襲能力［37］。此外，基于PRKCSH|chr19：11561032、DSEL|chr18：65174489、UGGT1|chr2：128952084和 SOD2|chr6：160101723四個AIRE構建的神經膠質瘤預測模型能較準確地預測患者預后［78］。

3.8 其他腫瘤

除上述腫瘤外，AIRE在甲狀腺癌等腫瘤的發生發展中起著重要作用。研究顯示，CDK13Q103R在甲狀腺癌癌組織中異常上調，其可促進CDK13向細胞核轉移并增強該蛋白調控mRNA選擇性剪接的能力，進而促進甲狀腺癌的發生發展［19］。miR-200b的編輯水平升高與甲狀腺癌晚期、較差的無進展生存期和預后顯著相關［35］。宮頸癌癌組織相對于癌旁正常組織表現出低AIRE現象［56］。AIRE可導致BLCAP失去對STAT3的抑制而參與宮頸癌的發?。?9］。Yulong Liu等共發現122個位于microRNA上的RNA編輯位點在腎透明細胞癌癌組織和癌旁組織間，其中兩個位于mir-376a-3p和mir-376c-3p成熟體上，但這些位點與腎癌的關聯仍有待驗證［80］。KPC1M8V在膽管癌中過編輯，其可弱化KPC1與NF-κB1的結合而促進膽管癌的發生發展［16］。miR-154-5p在復發的膀胱癌中發生過度的AIRE，提示其與膀胱癌復發有關［81］。AZIN1的AIRE水平是子宮內膜癌獨立的預后預測因子［82］。ADAR促胰腺癌細胞增殖和轉移中涉及GLI1R701G等AIRE的異常上調［20］。雄激素受體基因轉錄物的AIRE可能有助于晚期雄激素非依賴性前列腺癌癥激素的抑制表型［83］。Austeja Amweg等解析了黑色素瘤的RNA編輯譜，發現MOK和DZIP3基因在靶向治療期間復發的患者中發生AIRE過編輯，提示它們與靶向治療抵抗有關［84］。miR-378a-3p發揮促進黑色素瘤轉移的作用，但該能力在發生AIRE后顯著弱化［39］。AIRE抑制了miR-455-5p其促黑色素瘤的生長和轉移的能力［40］。此外，AIRE水平在骨肉瘤中呈上調趨勢［85］。無論是新診斷還是復發的多發性骨髓瘤均表現出異常上調的AIRE現象，且更高的編輯水平與患者預后差顯著相關［24］。進一步研究發現，NEIL1K242R相對于野生型NEIL1的DNA損傷修復能力受損，骨髓瘤該位點編輯水平越高對DNA損傷越敏感［24］。

上述研究顯示出AIRE改變在不同類型腫瘤中既有共性也有個性。需要指出的是，基于組學分析報道的大部分的腫瘤關聯位點均未經實驗證實，且與腫瘤的相關性也有待外部樣本的驗證。并且，總體而言，AIRE與腫瘤關系的研究尚處于起步階段，仍然需要更多的研究去深入闡明其在腫瘤發生發展中作用。

4 AIRE 與腫瘤關系的研究展望與挑戰

盡管在轉錄組層面已廣泛揭示了腫瘤關聯的AIRE事件，但由于AIRE多位于基因非編碼區或非編碼RNA上，大多數的AIRE事件的生物學功能及其臨床意義仍然未知，也有待更多的研究探索。目前研究雖已證實AIRE位點是腫瘤發生、進展和預后的可靠生物標志物，但如何具體在臨床中將其轉化為可應用的診斷或預后評估工具仍有待考證。并且，目前基于等位基因選擇性靶向的小分子藥物研發已在單堿基突變遺傳性疾病上取得了一定成功，作為基因突變的補充，該技術也適用于針對腫瘤關聯的AIRE位點靶向藥物的研發。Daryl Jin Tai Tay等采用等位基因選擇性靶向的小分子藥物構建策略，研發了特異性針對AZIN1 S367G編輯反義核算藥物，發現其可特異性靶向編輯型的AZIN1而抑制腫瘤的生長［86］，表明AIRE可以被靶向。此外，當前對AIRE的分析仍主要集中于臨床進展關聯的事件，缺乏對耐藥、環境致癌物相關的AIRE事件的挖掘。未來需要不斷推進AIRE與腫瘤發生發展、預后、耐藥和靶向藥物的研究，為腫瘤發病機制的闡明、早期發現和治療提供有價值的科學依據。