PIWI-interacting RNA在肺癌中的研究进展

木其尔 张 伟 温珍平

1 内蒙古医科大学, 内蒙古呼和浩特市 010059; 2 内蒙古自治区肿瘤医院肿瘤内科

癌症已是仅次于缺血性心脏病的全球第二大死亡原因,很可能在2060年成为第一大死亡原因[1]。在2018年全球共有出1 800万例新增癌症患者,其中最常见的是肺癌,估计每年有200万肺癌新病例[2]。肺癌、肝癌和胃癌是普通人群中三种最致命的癌症,其中肺癌是其中预后最差的,5年生存率为10%～20%,生存期受发展阶段的影响很大,最早阶段和最新阶段的5年生存率分别从92%～0%不等[3]。肺癌通常在晚期被发现,自2011年以来,基于低剂量CT扫描的筛查已将肺癌死亡率降低了20%。然而,筛查的有效性受限于仅适用于重度吸烟者的高风险人群[4]。已有各种生物标志物作为非侵入性测试,可指示无症状人群中是否存在肺癌,通过细化肺癌风险、对CT扫描阳性进行分层和对中等风险肺结节进行分类,在改善肺癌的早期检测方面具有巨大潜力[5]。尽管近年来在治疗方面取得了飞速发展,但当肺癌处于手术切除太晚期的阶段时,它仍然是致命的。在中国,因为几种不同的基因谱与肺癌相关：高EGFR突变率、低KRAS突变率和更多的HBV感染合并症[6],靶向治疗取得了丰硕的进展。目前,有关免疫治疗的药物和方案激增,且效果斐然,相信未来更多的有关免疫治疗的策略会被更多考虑。而且随着越来越多的基因组分析方法的应用和集成以及单细胞技术的出现,前所未有地揭示了肺癌的发生、发展、扩散和耐药机制[7],使在分子水平进一步研究肺癌机制和治疗成为可能。

1 piRNA

1.1 piRNA的简介 人类超过3/4的基因组能够转录成RNA,但只有2%能最终编码蛋白质。那些不编码蛋白质的RNA被称为非编码RNA(ncRNA),基本上ncRNA可以根据长度分为长非编码RNA(>200nt)和小非编码RNA(≤200nt)[8]。小非编码RNA(sncRNA)的发现及其在各种调节机制中的作用已使许多科学家从完全不同的方面研究细胞的功能原理。小非编码RNA分子在重要过程中起关键作用,例如基因表达的共转录和转录后调控,DNA和组蛋白的表观遗传修饰等[9]。sncRNA可以分为几个亚类,如microRNA(miRNA)、PIWI相互作用RNA(piRNA)、小干扰RNA(siRNA)、小核RNA(snRNA)、小核仁RNA(snoRNA)、小细胞质RNA(scRNA)、转移RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)[10]人们已经认识到ncRNA在细胞活动和个体健康中具有重要意义。piRNA于2006年在哺乳动物系统中被发现并正式定义为与PIWI特异性相互作用的小型非编码RNA,其长度为26～31nt,与Argonaute蛋白的PIWI亚家族特异性结合(PMID：24429634)。迄今在各种生物体已经发现了数百万个piRNA,其中在人类基因组中发现超过两万个piRNA基因,是数量最多但研究最少的小型非编码RNA之一[11]。PIWI蛋白质属于RNA结合蛋白的PAZ-PIWI结构域(PPD)家族,该家族由Argonaute和PIWI两个亚家族组成PIWI,在1998年因其在生殖系干细胞进化保守功能而首次被发现(PMCID：PMC317255)。在人类中,有四种人类PIWI蛋白：PIWIL1(也称为HIWI)、PIWIL2(akaHILI)、PIWIL3(HIWI3)和PIWIL4(HIWI2)(PMID：30102404)。piRNA与PIWI蛋白形成的piRNA沉默复合物(piRISC),可参与调控靶序列,在转录或转录后降解或通过调节转座子的活性来控制其他基因的表达(PMID：34344990)。

1.2 piRNA的功能 目前,piRNA明显的生物学功能是通过调节染色质和促进转录物降解形成来抑制转座子动员。piRNA在大多数真核生物的种系中高度表达,其调节染色质的功能主要发生是在胚胎发育过程中可调节活动元件的活性,对于生殖系完整性和干细胞发育必不可少[9]。这在哺乳动物生殖细胞中的研究得到了证明：piRNA在维持生殖系DNA完整性、抑制转座子转录和翻译、参与异染色质形成、表观遗传调控和生殖细胞发生等方面发挥重要作用。此外,piRNA促进转录物降解的功能是通过指导PIWI蛋白切割靶RNA来促进异染色质组装和甲基化DNA,其既可以为快速进化的病毒和转座子提供适应性的、基于序列的免疫,又能调节保守的宿主基因(PMID：30446728),基于这些生物学功能,piRNA和PIWI蛋白对于维持种系细胞的基因组完整性非常重要[12]。因此,在发现piRNA以来,其研究长时间集中在种系细胞中的作用,但随着研究领域的扩展,许多证据也表明piRNA不仅可以作为转座子沉默剂,而且它们在调节基因表达方面也起着至关重要的作用[13]。由于piRNA相关的研究仍相对不足,因此我们对piRNA的理解非常有限。不过随着下一代测序领域的进步,piRNA被发现在包括癌症在内的人类疾病中异常表达,基于这些功能和异常的piRNA,特别是在肿瘤和生殖系统疾病中[14]。研究者认为,piRNA参与肿瘤的发生并且与肿瘤的预后有关,可用于早期诊断和精准医学的治疗靶点,有可能成为新的潜在治疗点或有前途的新型生物标志物(PMCID：PMC6330501)。

1.3 piRNA与肿瘤 piRNA是参与转座子失活、染色质调控和内源基因调控的调节性小非编码RNA,必须与PIWI结合才能发挥其调控作用,它们在癌组织中调节癌基因或肿瘤抑制基因的上游或下游发挥作用[15]。通过深度测序,与匹配的非肿瘤组织对比后,Huang等在乳腺癌中筛选出6个差异表达的piRNA,进一步说明piRNA作为肿瘤标志物的可能[16]。所以piRNA在肿瘤细胞增殖、转移甚至治疗中起重要作用,值得研究者进行深入探索piRNA和肿瘤的关系。

2 piRNA与肺癌

PIWI是Argonaute的一个亚科,piRNA必须与PIWI结合才能发挥其调控作用[17]。目前的研究表明部分piRNA和PIWI在肺癌中显著异常表达,并参与癌症的发生、发展和转移,可能成为潜在的诊断工具、预后标志物和癌症的治疗靶点。

2.1 与肺癌发生相关 piRNA参与肺肿瘤发生,这一观点在Yupingei等[18]通过对人气道细胞中piRNA和piRNA-Ls表达的研究,指出piRNAs/piRNA-Ls可能是一类新的分子,可能用作癌症分类的生物标志物以及治疗靶点;而且它们意外发现piR-163能直接与蛋白质磷酸化ERM结合并调节ERM功能。因为数据证明了piR-163和p-ERM在随后反映细胞增殖、迁移和侵袭的功能活动中的动态相互作用,但其他因素可能涉及piR-L-163介导的影响未被考虑,需要进一步的研究。此外,Katey S Enfield等[19]通过鉴定在该位点编码的体细胞表达的piRNA,发现这些piRNA在肺癌可能起到调节靶基因甲基化的作用。因而推断piRNA可能与肺肿瘤发生过程中该基因座甲基化模式的失调有关。但仍需要进一步的研究来确定DLK1-DIO3基因座甲基化的失调是由piRNA还是由替代机制介导的。PIWIL1在干细胞增殖、胚胎发生、生长和发育以及多种生物体的分化和成熟中发挥着至关重要的作用[20]。此外,PIWIL1的高表达可能依赖于其启动子DNA低甲基化而不是SMGs的突变。此外还揭示了PIWIL1可能是肺腺癌的表观驱动基因,它促成了肺癌的恶性表型,并受DNA低甲基化的调节,证实了PIWIL1在肺癌发生发展过程的重要性。

2.2 与肺癌诊断治疗 piR-651可能成为潜在的肿瘤标志物和治疗靶点,这一结论在Yao等[21]的文章指出,他们检测了piR-65对人肺癌细胞系致癌作用的影响。发现piR-651促进了肺癌细胞系的高转移特性。piR-35127在2017年第一次被Reeves等[22]发现在肿瘤组织中的表达下调,并与RASSF1C呈负相关;在正常肺细胞中piR-35127的过表达可显著降低正常肺的增殖,表明它也在肺细胞生长中起作用;以此推测了piR-35127可能会成为新的肺癌诊断和治疗靶点。piR-hsa-26925具有30个碱基对长度的转录-RNA序列(GAGGCGGGCATGACACAGCAAGACGAGAAG),piR-hsa-5444具有28个碱基对长度的转录-RNA序列列(TCCCAGACGGGGCAGCTGGCCGGGCGGA)[23]。Juan Li等[24]在2021年报道血清外泌体piR-hsa-26925和piR-hsa-5444可作为诊断肺腺癌的潜在生物标志物。在肺腺癌患者的血清外泌体样本中,piR-hsa-26925和piR-hsa-5444的水平显著高于健康对照组。而且由它们组成的piRNA组在肺腺癌患者表现出更好的诊断性能。

2.3 与转移和预后相关 piR-has-57125[25]具有29个碱基对长度的转录-RNA序列(TCAAAAAATTTAAAATCAATAATGCTAGA)。Iben Daugaard等[23]检测到piR-has-57125有显著的差异,与非转移性肺癌相比,它在转移性肺癌中显著下调。它移中显著下调的结果强烈表明piR-hs-57125可能作为癌症转移的抑制剂发挥作用。PIWIL2是PIWI基因亚家族之一,现在被认为与各种癌症的不良临床结果密切相关,较高的PIWIL2表达水平可能预示癌症患者的预后较差,并且其预后价值不受临床病理学特征的显著影响[26]。

3 总结

piRNA越来越受到研究者的关注,不仅数量巨大而且不只局限于生殖系细胞组织,在肿瘤组织以及其他体细胞组织中也都有表达,与癌症类型、临床分期和淋巴转移相关的piRNA的表达水平还存在个体差异,这使得对piRNA的研究极具挑战,所以将piRNA应用到肺癌的研究无论发生机制或是临床应用都极具潜力。