tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子

  • A+
所属分类:生物信息学

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 isoacceptorsisodecoders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

普通的,被动参与蛋白翻译的RNA 

高丰度,广泛存在的

细胞、组织、疾病和时序特异性表达

Isoacceptors通过摆动解码效应调控翻译

Isodecoders影响生理进程和疾病发生

tRNAstRNA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。

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

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可以更好地研究tRNA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。

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

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。


tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

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5tRNA-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]。

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

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。

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

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]。

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

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tRFtiRNA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

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]。

高丰度、被大量修饰保护的稳定性、体液样本中富集的特点意味着tRNA有更好的生物标志物敏感度。加上tRNA差异表达与疾病的紧密关联(Fig. 1)tRNA可以成为一类具有更大潜力的生物标志物。

tRNA的复兴——从被动的翻译元件到主动的调控因子 

7.(A)miRNAtRNA在体液中相对比例的对比,在某些类型体液中tRNA含量高于miRNA [12, 13](B)与其他胞内RNA相比,tRNA在外泌体中高度富集,远超miRNA[14]

参考文献

[1] Gingold H. et al. (2014) Cell [PMID: 25215487]

[2] Schmitt B.M. et al. (2014) Genome Res. [PMID: 25122613]

[3] Geslain R. and G. Eriani (2014) Translation [PMID: 26779404]

[4] Hanson G. and J. Coller (2018) Nat. Rev. Mol. Cell Biol. [PMID: 29018283]

[5] Gavin H. et al. (2014) Molecular Cell Biology [PMID: 29018283]

[6] Goodarzi H. et al. (2016) Cell [PMID: 27259150]

[7] Girstmair H. et al. (2013) Cell Rep [PMID: 23352662]

[8] Ishimura R. et al. (2014) Science [PMID: 25061210]

[9] Mei Y. et al. (2010) Mol. Cell [PMID: 20227371]

[10] Mei Y. et al. (2010) Protein Cell [PMID: 21113408]

[11] Kirchner S. and Z. Ignatova (2015) Nat. Rev. Genet. [PMID: 25534324]

[12] Godoy P.M. et al. (2018) Cell Rep [PMID: 30380423]

[13] Schageman J. et al. (2013) Biomed Res Int [PMID: 24205503]

[14] Quek C. et al. (2017) RNA Biol [PMID: 28005467] 

  tRNA研究技术平台

 tRNA 表达

Arraystar nrStar™ tRNA PCR 芯片(H/M

分别检测185个人/小鼠 tRNAs,覆盖GtRNAdb数据库所有的细胞核反密码子

1tRNA isoacceptorsisodecoders两个层面进行表达水平分析:

·Isoacceptor水平检测具有相同反密码子的总体isodecoder水平,适用于tRNA表达谱分析

·Isodecoder水平检测单独tRNA isodecoders,适用于分析isodecoder特异性的功能

芯片包含所有的反密码子,可获得同源和近似同源tRNA的表达信息,从而分析二者比值在生物和疾病条件下的变化。

(2)tRNA去甲基化处理,去除了阻碍tRNA反转录过程的甲基化修饰显著提高检测灵敏性

 

tRNA测序

完善的tRNA前处理方案,去除tRNA上的甲基化修饰和未端氨基对测序的阻碍,精确检测全部tRNA

 tRNA形成

Arraystar NuRNATM small RNA Biogenesis Proteins PCR芯片

检测185 RNA( miRNAtRNApiRNA)生物合成通路上的酶和蛋白因子

 tRNA修饰

Arraystar NuRNATM tRNA Modification Enzymes PCR芯片

检测85个在tRNA修饰过程中起关键作用的酶和蛋白因子

LC-MS tRNA修饰检测服务

利用液相色谱-质谱联用技术分析和检测tRNA上的核酸修饰

  • 蛋白质组学业务咨询
  • 扫码咨询相关问题
  • weinxin
  • 代谢组学业务咨询
  • 扫码咨询相关问题
  • weinxin

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: