概述
轉運RNA (tRNA)是一種參與解碼mRNA、翻譯蛋白質的接頭分子。近年來的研究表明tRNA還能作為小非編碼RNA (sncRNA)的主要來源之一，具有獨特且多樣的功能1。這些tRNA來源的ncRNA并非隨機降解的產物，而是通過精確的生物發生過程產生的 (圖.1) 。源自tRNA的ncRNA大致分為兩大類：tiRNA (或者tRNA halves) 和tRFs (tRNA 衍生片段) ，具有其特定的分子大小、核苷酸組成、生理功能以及生物發生1-3。
tRNA halves (tiRNAs)是由angiogenin (ANG)在多種應激條件下在成熟tRNA的反密碼子環處特異性切割產生的5’-和3’ -tRNA半分子，長度約為29-50nt。
tRFs長度約16-28nt，來源于成熟tRNA或前體tRNA，根據其在tRNA上的對應位置可進一步分為：(i) tRF-5，對應成熟tRNA的5’端，切割發生在D-loop；(ii) tRF-3，對應成熟tRNA的3’端，包含CCA部分，切割發生在T-loop；(iii) tRF-1，源自前體tRNA的3’尾部序列，3’末端含有多聚U序列；(iv) i-tRF，不屬于tRF-5，tRF-3或tRF-1，主要來自成熟tRNA的中間區域。
圖1. tRF&tiRNA的生物發生過程。tRF-1產生于前體tRNA的3’尾端序列。tRF-5，i-tRF和tRF-3分別起源自成熟tRNA的5’、內部、和3’端。當切割發生在成熟tRNA反密碼子環，將產生兩個半分子，tiRNAs，包括5’-tRFs和3’-tRFs。
生物功能
tRFs和tiRNAs作為sncRNA執行多種生物學功能 (圖7) 。它們能夠作為miRNA行使RNA干擾(圖2) ；替換與mRNA結合的翻譯起始因子eIF4G，直接抑制蛋白的翻譯過程4,5；結合某些蛋白因子，例如YBX1，影響mRNA的穩定性 (圖3) ；與細胞色素C相互作用，調控細胞凋亡6；在應激條件下促進應激顆粒 (Stress Granules, SGs) 的組裝 (圖4) ；敏化細胞氧化應激誘導的p53激活以及p53依賴的細胞死亡7；作為父代表觀遺傳因子，改變子代基因轉錄級聯過程8,9 (圖6)
圖2. tRFs具有許多microRNA的功能特性，例如，Dicer依賴的生物發生，與Argonaute蛋白形成RISC復合體以及RNA沉默。某些收錄的miRNA直接與tRFs匹配 10。
圖3. tRFs或者其類似物替換腫瘤基因mRNA結合蛋白YBX1，使許多促癌基因mRNA不穩定，進而癌細胞的浸潤性被顯著抑制 11。
圖4. 在細胞應激條件下，tRNA halves (tiRNAs)由angiogenin 切割tRNA產生，隨后促進Stress Granules (SGs)的組裝，誘導翻譯抑制，細胞修復和存活 12。
人類疾病
tRFs&tiRNAs與多種病理狀況相關，甚至是致病因素，例如，癌癥、神經退行性疾病、遺傳性代謝疾病等 (圖5)。
圖 5. tRFs&tiRNAs 分子功能和人類疾病。
癌癥
tRFs&tiRNAs在多種癌細胞系中差異表達，例如前列腺癌細胞系LNCaP和C4-2等。tRFs&tiRNAs在應激條件下表達水平升高，尤其是在缺氧等氧化應激條件下13。此外，一種在B細胞淋巴癌細胞系中發現的tRF-3具有前導RNA的功能特性，以miRNA的方式抑制細胞增殖，調控DNA損傷應答 14。通過競爭YBX1結合位點、降低腫瘤基因轉錄產物穩定性，tRFs&tiRNAs可作為腫瘤抑制物 11 (圖. 3)。一種來自tRNA-Ser前體的tRF-1 (tRF-1001) 在多種癌細胞系中高表達，并且是前列腺癌細胞增殖所必須的 15。ANG產生的tiRNAs促進SGs的組裝，幫助細胞在不利條件下存活，據推測，ANG誘導的tiRNAs直接貢獻于ANG介導的血管生成和癌細胞增殖。類似的，tiRNAs能夠結合細胞色素C，并幫助癌細胞逃避細胞調亡 6。綜上所述，這些重要發現強烈預示了tRFs&tiRNAs在腫瘤發生過程中的關鍵作用。
獲得性代謝疾病
不斷增長的證據表明，子代的代謝疾病可源自親本的飲食習慣。在一個父本高脂飲食 (HFD) 小鼠模型中的研究顯示，精子中存在一類主要來自tRNA 5’端、長度在30-34nt的tRFs&tiRNAs，在高脂飲食條件下表現出差異表達和RNA修飾變化。將HFD小鼠精子中的tRFs&tiRNAs組分注射到正常受精卵中，可引起F1小鼠的代謝疾病，改變早期胚胎和胰島細胞代謝通路基因表達譜，并且獨立于CpG富集區DNA甲基化機制。因此，精子tRFs&tiRNAs代表著一類親本的表觀遺傳因子，介導飲食誘導的代謝疾病向子代遺傳 8 (圖. 6)。
限制小鼠飲食蛋白水平能夠改變小鼠成熟精子中小RNA含量，let-7表達降低，而Glycine tRNA 來源的5’ 端tRFs&tiRNAs表達量升高。tRFs&tiRNAs被認為在著床前胚胎轉錄組表達調控中起著內 源逆轉錄驅動作用9。
圖 6. 高脂飲食 (HFD) 小鼠精子中tRNA 來源的小RNA (tsRNAs，主要是tRNA halves) 具有變化的表達譜和RNA修飾。通過受精卵注射技術，tRFs&tiRNAs賦予了子代代謝疾病表型。這些表觀遺傳因子通過改變從胚胎到成年的基因級聯轉錄過程來介導親本到子代的遺傳過程 8。
神經性病變
許多神經性病變是由tRNA代謝或tRNA加工酶缺陷造成的。一種RNA酶活性降低的ANG突變體與致死性神經退行性病變Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) 的病理過程相關聯 16。一類ALS相關的ANG突變體同時還在Parkinson’s Disease (PD)病人中發現 17。隨著研究的不斷深入，ANG誘導的tRNA halves與細胞應激反應、神經發育疾病之間的聯系得到進一步加強 18。CLP1 RNA激酶活性喪失，導致一種異常加工的酪氨酸tRNA前體來源的小RNA片段的積累，進而敏化細胞氧化應激誘導的p53激活和p53介導的神經細胞死亡，誘發運動神經元丟失，肌肉去神經化以及呼吸衰竭 7。另外一個案例是，5-胞嘧啶甲基轉移酶NSun2的突變引起的頭小畸形 (microcephaly)和其他神經性異常。在NSun2缺失突變體大腦皮層、海馬和紋狀體神經元中，tRNA 胞嘧啶5位甲基化的缺失，增強ANG對tRNA的結合和剪切，導致5’-halves的積累，進而降低蛋白翻譯速率，激活應激通路，減小細胞體積，促進細胞凋亡19。
病理應激損傷
由缺氧、營養匱乏、氧化及代謝失衡等引起的應激反應能夠損傷細胞，催生疾病。這些應激條件刺激tRNA halves的產生。在毒性損傷、輻射以及缺血再灌注等組織損傷動物模型中，tRNA halves的產生與組織損傷程度呈現相關性，例如，應激導致tRNA構象改變，隨后促進ANG介導的tRNA halves的產生 1。5’-halves的表達上調與病毒及立克次體感染顯著相關，可能與抑制凋亡，促進細胞存活有關。tRFs&tiRNAs、主要是30-35nt長的5’ halves在非惡性肝臟中具有高的表達量，而且在慢性病毒性肝炎中表達水平迅速上升18。
生物標志物潛力
tRFs&tiRNAs的組成和數量高度依賴于細胞類型和疾病狀態 20。特別的，tRNA和tRF&tiRNA類群高度富集與生物體液中，有時甚至高于miRNA的含量 13,21,22。盡管目前對體液型生物標志物的篩選主要集中在miRNA上，但是，tRFs&tiRNAs在多種體液中的高當量高穩定性，在病理過程中的廣泛參與，在實體瘤和血液惡性腫瘤中的差異表達，以及在癌癥病人和正常對照之間的強大分辨能力，為人們嘗試開發低侵入性的、基于tRFs&tiRNAs的生物標志物開辟了廣闊的前景。例如，PLS-DA分析發現tRFs&tiRNAs的表達譜能夠清楚的分辨三陰(陽)性乳腺癌與正常對照 20 (圖7B，C)；研究顯示，不同tRFs&tiRNAs之間的比例關系能夠作為一個高效的癌癥無進展生存期 (PFS) 指標和診斷標志物候選者 13。
圖7. (A)血漿中存在豐富的tRNA衍生片段RNA21。在PLS-DA判別分析中tRFs&tiRNAs表達譜能夠清晰的分辨三陽性乳腺癌 (B)以及三陰性乳腺癌 (C)與健康對照。
如何研究tRFs&tiRNAs
康成生物的tRF&tiRNA–seq服務系統對tRF&tiRNA進行定性定量的表達譜分析，同時對tRF&tiRNA亞家族及未知tRF&tiRNA進行鑒定。借助豐富的數據和信息，那些差異表達的tRFs&tiRNAs能夠被鑒定，并使用圖示的方法進行下一步的深入研究 (圖. 8) 。許多已經建立好的方法都和miRNA類似，例如，qPCR驗證，LNA寡核苷酸基因敲除，合成的類似物進行功能獲得性研究等。
圖8. tRF&tiRNA下一步研究技術路線。