肿瘤进展过程中的RNA结合蛋白

肿瘤进展过程中的RNA结合蛋白
1 导读
研究发现，人类约有1914种RNA结合蛋白（RBP），占蛋白编码基因的7.5%。

RBP具有高度的物种保守性，在维持基因表达稳态中发挥着关键作用。

越来越多的证据表明，RBP参与各种重要的细胞学过程，例如细胞的运输、定位、发育、分化和代谢。

另外，RBP几乎参与转录后调控的每一步，监督转录本的形成和功能，并维持细胞内稳态。

在机理上，RBP通过与编码和非编码RNA（ncRNA）以及其他蛋白质的相互作用来调控RNA剪接、聚腺苷酸化、mRNA稳定性、mRNA定位和翻译。

越来越多的研究表明，由RBP 介导的RNA修饰对癌症进展至关重要。

此外，RBP在不同类型的癌症中异常表达，并调节致癌基因和抑癌基因的表达和功能。

因此，通过揭示RBP的表达及其与目标RNA的相互作用机制，可以为寻找癌症治疗的新靶点提供新的思路或方法。

2 RBP的结构
许多RBP都由几个重复序列组成，这些序列包含特定的基本结构域。

在结构上，常见的RNA结合结构域主要包括RNA识别基序（RRM）、K同源结构域（KH结构域）、双链RBD（dsRBD）、冷休克结构域（CSD）、精氨酸-甘氨酸-甘氨酸（RGG）基序、富酪氨酸结构域以及CCHC、CCCH、ZZ等类型的锌指（ZnF）。

根据RBP在细胞中不同的功能，可将RBP划分为上皮细胞剪切调节蛋白（ESRP1）、胞质多聚腺苷酸元件结合蛋白家族（CPEB1/2）、Hu抗原R（HuR）、异源核糖核蛋白家族成员（hnRNPA/D/H/K/M/E/L）、胰岛素样生长因子2 mRNA家族成员（IMP1/2/3）、转录因
子zfh家族（ZEB1/2）、KH型剪切调节蛋白（KHSRP）、La核糖核蛋白结构域家族成员（LARP1/6/7）、Lin-28同源蛋白（Lin28）、Musashi蛋白家族（MSI1/2）、Pumilio 蛋白家族（PUM1/2）、Quaking蛋白（QK）、RNA结合基序蛋白家族（4/10/38/47）、有丝分裂时与Src相关的68kDa底物（SAM68）、丝氨酸和精氨酸丰富的剪切因子（SRSF1/3）、T细胞胞内抗原（TIA1/TIAR）以及N-Ras 上游蛋白（UNR）。

为了实现RBP的功能多样性，这些重复序列可以以不同的组合方式排列，用于特定的RNA。

通过重新排列这些基本结构域，可以实现对蛋白质的精确识别，从而赋予RBP多样性的功能。

每个基本结构域都能识别RNA，但大多数这些蛋白质的结构域需要多个拷贝来满足其功能（图2）。

这种独特的结构使得RBP的结合特异性和亲和力得到极大的提高。

然而，几乎一半的RBP没有特定的结合序列和结构元素。

为了解释这种“非特异”的现象，Jankowsky等人建立了一个模型，整合了与RBP结合能力相关的各种参数，例如细胞中RBP和RNA的浓度比、RBP的亲和力分布系数、RNA底物结合和解离速率的常数，以及RBP和辅因子的协同作用。

基于以上特征，RBP可以形成巨大的分子相互作用网络，并对细胞功能产生重要影响。

因此，对RBP进行系统性和功能性的研究将有助于我们发现其在肿瘤中的作用。

目前，RBP的研究方法主要包括同源聚合物结合方法、紫外交联、SELEX、EMSA、整个基因组体内免疫沉淀和蛋白亲和纯化。

另外，在线数据库中包括1171个已知的RBP，用户可以按领域和物种进行浏览。

而癌症基因组图谱（TCGA）数据库可用于下载RNA高通量测序和临床病理数据，以确
定癌症样本和正常样本之间RBP异常表达。

随后，利用KEGG 通路和GO富集分析，系统性探索RBP异常表达的潜在功能和分子机制。

对RBP的研究将有助于我们理解肿瘤发生发展的分子机制，并为临床诊断和预后提供潜在生物标志物。

3 癌症中的RBP失调
肿瘤是一种复杂的异质性疾病，其发病机制难以确定。

肿瘤始终伴随着基因突变，这些突变扰乱了致癌或抑癌信号通路的稳态。

RBP具有多样的结构和功能，且对于调节多种必要的细胞过程至关重要，例如RNA的剪接、修饰、转运、定位、稳定性、降解和翻译。

RBP持续表达且在进化过程中保守演变，以维持细胞的基本功能。

RBP紊乱可能导致各种疾病，包括癌症。

RBP的靶RNA 非常多样化。

除了与mRNA的外显子，内含子和未翻译区（UTR）结合外，RBP还可以与ncRNA结合，例如microRNA（miRNA），转移RNA（tRNA），siRNA，端粒酶RNA，小核仁RNA（snoRNA）和剪接小核仁RNA （snRNA）。

RBP可以与ncRNA的二级结构结合并调节多种生物过程，包括剪接、RNA修饰、蛋白质定位与分泌、染色体重塑等，从而对肿瘤表型产生显著影响。

3.1 NcRNA介导的RBP失调
NcRNA介导的转录后调控与RBP的表达密切相关。

例如，LIN28是一种主要由两个亚基LIN28A和LIN28B组成的RBP，两者具有类似的结构和功能。

LIN28抑制未分化细胞中let-7前体miRNA的加工，增加PD-L1的转录和翻译，进而促进各类癌细胞的生长和免疫逃逸。

相反，let-7家族成员可以抑制LIN28表达。

同时，let-7可以结合PD-L1 3’UTR，从而抑制PD-L1的表达，增强细胞的免疫应答。

结果
表明，LIN28和let-7家族之间可以相互负反馈调节。

此外，有大量证据表明，这种LIN28/let-7双向负反馈系统可以与一些细胞因子（如SCR家族、MYC家族和NF-kB）结合，形成一个更复杂的肿瘤调节系统。

3.2 翻译后修饰介导的RBP失调
RBP的异常功能也可源于肿瘤的异常翻译后修饰（PTM）。

这些修饰起源于多种信号通路的改变。

这些改变将激活酶的空间构象，从而诱导其功能化学基团的变化，包括乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化以及N6-甲基腺苷（m6A）（图6）。

PTM可以改变RBP的结合能力，并在调节蛋白质活性、稳定性、定位、相互作用或折叠中起关键作用。

值得注意的是，RBP中RNA结合元件的PTM尤为突出。

该位点的异常修饰可能是肿瘤中RBP功能异常的主要因素之一。

RBP的PTM参与了多种重要的生物学过程，包括癌变、细胞凋亡、肿瘤的发生发展、细胞分裂和药物敏感性等。

不同类型的RBP对蛋白质的转运、分泌、功能和消除具有不同影响。

RBP可以动态调控关键分子的区域化、转运和物理相互作用，从而影响不同的细胞学过程。

因此，RBP的PTM 可以引起基因表达程序的快速变化。

例如，RBP与目标RNA 或DNA的亲和力，或与其他蛋白质的相互作用，可能会发生改变。

不同类型的PTM调节着RBP的丰度、亚细胞定位以及多种蛋白激酶和信号通路。

通过对RBP蛋白质-蛋白质和蛋白质-RNA复合物的遗传学、生化学、分子生物学和结构分析的全面整合，我们希望找到肿瘤治疗干预的新靶点。

3.3 转录调控介导的RBP失调
RBP的转录调控是一种快速有效的使蛋白质组不断适
应环境的方法。

事实上，许多RBP在转录中起着直接作用，它们的异位调控可能导致肿瘤的发生。

例如，典型的剪接调控因子在转录过程中的异常功能与癌症的发病机制密切相关。

重要的是，这些癌症特异性的剪接变异通常在肿瘤中上调，这有助于肿瘤细胞的生存和癌症的进展，也可以预测癌症患者的预后。

常见的特异剪接变体有SRSF2、RBFox2、NONO等。

4 RBP在癌症进展中发挥作用的分子机制
RBP在癌症进展中的调控机制具有多样性，包括选择性剪接、聚腺苷酸化、稳定性、亚细胞定位和翻译。

4.1 选择性剪接
选择性剪接是一种重要的转录后调控机制，有助于蛋白质多样性和mRNA稳定性。

在肿瘤中，异常剪接的主要类型包括组成型剪接、外显子缺失或包含、选择性5’剪切位点、选择性3’剪切位点、内含子保留以及互斥外显子。

异常或错误剪切是RBP功能异常的主要原因之一，可促进癌症的发生。

一些RBP可以与剪接相关的核心蛋白形成复合物，共同控制肿瘤细胞中分子的剪接。

还有一些RBP的结合位点与外显子调控相关。

这些蛋白质可以在不同情况下增加或降低剪接体的活性。

4.2 选择性聚腺苷酸化（APA）
在大多数真核生物中，RBP参与pre-mRNA的加工处理，在mRNA的3’端添加一个poly (A)尾巴。

这个过程对于mRNA的成熟、稳定性、核内运输以及高效翻译是必需的。

腺苷酸多聚（A）尾的长度是一个极其重要的生物学特征，并且在不同物种和基因的进化过程中高度保守。

与剪接类似，大多数选择性APA位于最后一个外显子上游的内含
子区域，其作用是生成非编码转录本或编码区被截断的转录本。

APA可以产生多个不同的转录本，而这些转录本的编码区和3’UTR也有所不同。

APA通过修改编码序列，影响蛋白质的功能。

对于3’UTR，APA可以改变其长度，从而调节靶mRNA的稳定性、亚细胞定位和翻译效率。

在癌症中，pre-mRNA的3’端经常发生异常。

肿瘤细胞表达大量异常的mRNA。

这些mRNA的3’UTR长度比正常细胞的短。

研究表明，这种现象通常由APA引起。

由于3’UTR含有大量的负调控因子的结合位点，因此较短的3’UTR将mRNA和蛋白表达的稳定性提高了10倍以上。

已经指出，3’UTR缩短受到剪切复合物（CFIm）的调控，主要由三种多肽组成：CFIm25、CFIm59和CFIm68。

4.3 稳定性
mRNA的转录、翻译、稳定性和亚细胞定位与RBP密切相关。

除了位于3’端的poly(A)尾巴外，影响真核mRNA 稳定性的结构还有位于5’端的帽状结构。

降解mRNA的方法有许多种，其中之一是从poly(A)尾巴的水解开始，然后进行5’端去帽和5’→3’方向降解，或者在poly(A)尾巴水解后，在3’→5’方向降解。

迄今为止，与mRNA反向降解有关的结构是3’UTR的AU富含区（ARE），估计约有16%的转录本含有ARE。

当细胞不受刺激时，含有ARE 的mRNA会随时被poly(A)尾巴降解。

当细胞受到不同刺激时，ARE结合蛋白（ARBP）可能会促进mRNA的降解或提高它们的稳定性。

ARE是与mRNA稳定性最广泛研究的结构。

能够稳定mRNA的最常见的RBP包括人类抗原R（HuR）、T细胞胞内抗原1（TIA-1）和TIA-1相关蛋白（TIAR）。

ARE编码mRNA的异常增加和延伸与癌症有关，包括ARE
包含的转录本、致癌蛋白、生长因子及其受体和细胞周期蛋白。

另一方面，RBP可以增强mRNA的稳定性，调节其靶基因的蛋白表达。

例如，PTBP家族属于RBP，其中有三个主要成员PTBP1、PTBP2和PTBP3。

PTBP1和PTBP2调节mRNA的剪接、稳定性、定位和翻译。

4.4 亚细胞定位
一些mRNA在细胞核中转录，然后被运输到细胞质并翻译产生蛋白质。

然而，其他mRNA转录本直接瞄准特定区域进行局部翻译或分布，导致细胞质蛋白的不对称分布。

RNA的亚细胞定位主要通过RBP识别的顺式基序或者靶基因的3’UTR中的特定结合元素（zipcodes）形成二级结构。

这些结构作为RBP的结合位点，调节细胞内的定位，进而介导RNA定位到特定的亚细胞区室。

首先，核中的hnRNPs 识别并结合mRNA，然后从细胞核被转运到细胞质。

hnRNPs的一部分返回到细胞核，另一部分与运动蛋白形成复合物。

这种机制对于建立和维持细胞极性至关重要，其破坏可能导致癌症进展。

4.5 翻译
翻译过程复杂，可分为三个阶段：启动、延伸和终止。

大多数mRNA的转录调控发生在初始阶段。

部分RBP，如5’端帽状结合复合物eIF4F和聚(A)结合蛋白(PABP)，是mRNA的环化和翻译激活所必需的。

在癌症中，几乎所有关键的致癌信号通路都异常，并导致PI3K/AKT/mTOR、RAS/MAPK和Wnt/β-catenin等信号通路的转录障碍。

据报道，eIF4F复合物成分eIF4E的表达失调与约30%的人类肿瘤相关。

此外，已经指出在小鼠中敲除eIF4E后不仅保持正常的生理状态，还显著抑制肿瘤的发展。

这些研究表明，
在哺乳动物细胞中，eIF4E的蛋白翻译表达高于正常水平，并且eIF4E可以诱导致癌mRNA的翻译，促进癌症的发展。

此外，Rumis’Pumilio（PUM）人类同源家族也参与了蛋白质翻译的调控。

它还通过与E2F3 3’UTR结合，增强了多个E2F3靶标microRNAs（miRNAs）的活性。

PUM抑制增殖细胞转录因子E2F3蛋白的翻译。

研究发现，癌基因E2F3、JUN和NRAS在调控轴上的3’UTR区域缩短，导致PUM结合位点消失，进而触发这三个基因的表达，促进细胞增殖。

4.6 染色体重塑与DNA损伤
最近的研究表明，除了参与传统的RNA加工外，位于染色质上的RBP可能还参与哺乳动物基因组的染色质重塑和DNA损伤修复。

例如，染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)显示RBP RBFox2与染色质的广泛相互作用，RBFox2与Polycomb复合物2(PRC2)和H3K27me3相互作用，以维持哺乳动物基因组中基因稳定表达的关键信号。

另一个有趣的现象是，在HepG2细胞中比较RBP和转录因子（TF）的ChIP-seq信号后，Xiao等人发现，在大量转录因子、增强子和RBP之间存在共存，表明它们在染色质水平上具有协调的功能。

5 结论
近年来，mRNA上N6-甲基腺嘌呤（m6A）的可逆修饰已经被证明是一种常见现象。

mRNA和lncRNA都有大量的m6A修饰。

m6A可以加快mRNA前体的处理时间和细胞内mRNA的运输和核聚集速度。

重要的是，RBP可以调节甲基转移酶的活性，是m6A生物功能的关键调节因子。

甲基转移酶复合物主要由甲基转移酶类3（Mettl3）、
Mettl14和与Wilms瘤1相关蛋白（WTAP）等亚单位组成，还包括Virilizer、RNA结合基序蛋白15和锌指蛋白Zc3h13。

RBP介导的m6A修饰也会导致一系列疾病，包括肿瘤、神经系统疾病和胚胎发育延迟。

例如，RBP IGF2BP通过其m6A结合位点识别K同源（KH）结构域，并起到m6A读取器作用。

在辅因子的帮助下，IGF2BPs促进成千上万的潜在的靶向mRNA的稳定性，阻碍miRNA诱导的RNA降解，并提高癌基因（MYC、Actin、Lin28、SRF）的表达，从而在癌症中发挥致癌作用。

本文主要讨论了肿瘤中RBP的结构和异常表达，并侧重于它们在癌症中发挥作用的分子机制。

由于RBP参与了肿瘤的各个过程，这表明RBP参与了一个非常复杂的调控网络，并改变了肿瘤的许多特征。

RBP不仅调控从DNA到RNA 的生命过程，还参与癌细胞的能量代谢，能够通过调控mRNA的稳定性和/或翻译来逃避免疫监视。

在癌变条件下，RBP可以调控大量的与肿瘤相关的下游靶基因，从而通过“链式效应”扩大其对肿瘤的影响。

因此，RBP在癌症生物学中的潜力将是巨大的。

目前，正在探索针对RBP的小分子抑制剂。

根据以上研究结果，越来越多的研究人员开始探索靶向RBP的癌症治疗方式。

未来，研究人员应进一步挖掘RBP作为治疗靶点的潜力。

随着越来越多与癌症相关的RBP被发现，识别它们的靶基因变得越来越必要。

一个关键问题是，许多RBP与RNA 的结合并不依赖于经典的RNA结合结构域（RBDs），因此确定RBP-RNA相互作用是一项具有挑战性的任务。

识别RBP-RNA相互作用是一个具有挑战性的任务。

在建立生物信息学预测时，核糖核蛋白复合物的结构研究可以为生物信
息学工具创建的新建模算法提供重要数据，并识别RBP在正常和疾病环境中扮演的不同角色。

此外，基于免疫沉淀技术的各种检测方法（包括用于免疫沉淀的抗体）可用于大规模识别RBP基因组、它们的靶点和结合位点。

尽管这种方法仍处于起步阶段，但很可能在短期内被广泛应用。

此外，结合最新的研究进展，细胞模型也正在被用于RBP研究，如人类组织类器官、仿生微流体培养系统和患者肿瘤异种移植模型。

研究人员正在深入研究RBP 与ncRNA协同调控一系列mRNA的分子机制，这将有助于我们理解RBP介导的肿瘤调控网络。

为了揭示这种巨大的调控系统，整合大量数据资源和技术是必要的。

相关综合分析软件的开发也将是一项重大挑战。