康 南 王 宇 王 穎 毛伊雯 燕太強 沈丹華

真核生物3′非翻譯區(qū)(3′untranslated regions，3′UTR)即非翻譯區(qū)，是指mRNA分子兩端的非編碼片段，研究發(fā)現(xiàn)，許多mRNA的調(diào)控元件存在于5′UTR及3′UTR中，5′UTR主要起始調(diào)控mRNA翻譯，3′UTR調(diào)控mRNA的多種代謝，包括出核、胞質(zhì)定位、翻譯效率及mRNA穩(wěn)定性等[1]。此前一直對mRNA的5′UTR的研究頗多，而對3′UTR的研究相對較少，近幾年來，真核mRNA的3′UTR在基因表達調(diào)控中的作用越來越受到重視，隨著對人類全基因組相關(guān)研究的蓬勃發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)突變發(fā)生在非編碼區(qū)要比編碼區(qū)更易引起疾病，如突變發(fā)生在3′UTR或與miRNA結(jié)合區(qū)，會破壞細胞調(diào)控機制，從而引起疾病甚至細胞惡性轉(zhuǎn)化進而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生[3]。本文將對3′UTR轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控及其突變與腫瘤的關(guān)系的研究進展做一綜述。

一、3′UTR和5′UTR的關(guān)系

真核生物mRNA的5′UTR從mRNA起點的甲基化鳥嘌呤核苷酸帽延伸至AUG起始密碼子，3′UTR從編碼區(qū)末端的終止密碼子延伸至多聚A尾巴(poly-A)的末端。真核生物的mRNA一般具有共同的結(jié)構(gòu)，包括外顯子、內(nèi)含子，5′和3′非翻譯區(qū)，5′端是帽子結(jié)構(gòu)，3′端是poly(A)結(jié)構(gòu)，在mRNA的翻譯和非翻譯區(qū)包含很多信號，如翻譯起始和終止信號等。研究表明，mRNA的5′UTR與3′UTR在mRNA的翻譯過程中互相依賴、相互協(xié)同以提高翻譯效率，其中5′UTR通常包含增強調(diào)控元件(enhancer regulatory element)，主要調(diào)控mRNA翻譯的起始，3′UTR主要參與調(diào)控mRNA的多種代謝，包括調(diào)控mRNA的體內(nèi)穩(wěn)定性及降解速率，控制其利用效率，協(xié)助辨認特殊密碼子，還決定mRNA的翻譯位點及控制其翻譯效率，其中包括mRNA的折疊、核內(nèi)運輸相互作用、mRNA加工、剪切和翻譯以及細胞內(nèi)的運輸和定位等[2]。如果mRNA的5′帽子結(jié)構(gòu)缺失則不能促進其翻譯，在某些物種中其帽子結(jié)構(gòu)存在但poly(A)尾缺乏的情況下也可以起始翻譯，但是其翻譯效率并不會太高，若poly(A)尾巴或類似功能的結(jié)構(gòu)同時存在時，可使mRNA的翻譯效率提高一個數(shù)量級，提示5′帽子和3′poly(A)尾巴在缺少任何一方時都會對翻譯產(chǎn)生負面影響，帽子和poly(A)尾以及類似的結(jié)構(gòu)在翻譯時是相互作用、相互影響的[4]。

二、3′UTR的轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控

1.3′UTR末端加工信號調(diào)控mRNA 3′末端的加工：3′UTR內(nèi)存在末端加工信號以指導(dǎo)mRNA 3′末端的加工, 人類mRNA轉(zhuǎn)錄本中3′UTR平均長度>500nt，幾乎是5′UTR平均長度的4倍，這種長度使得3′UTR包含更多的結(jié)構(gòu)元件及更多的與反式作用因子結(jié)合的位點，從而賦予3′UTR行使特異轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的重要使命[5]。3′末端存在兩個很重要的保守序列：①位于切割位點上游10～35nt處的AAUAAA序列；②poly(A)位點下游的富含U或GU的序列，它們可以被pre mRNA加工復(fù)合物特異的RNA結(jié)合蛋白(RBPs)所識別和結(jié)合，參與調(diào)控mRNA多種代謝過程[6]。

2.3′UTR調(diào)控mRNA的穩(wěn)定性及翻譯過程:真核細胞3′UTR在基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控中起到非常重要的作用，其參與mRNA代謝的多個過程，包括調(diào)控mRNA 3′末端的加工，如mRNA的剪切和多聚腺苷酸化過程，還可以參與調(diào)控mRNA翻譯過程、mRNA穩(wěn)定性、mRNA降解及其細胞定位與運輸?shù)冗^程。mRNA降解是基因表達調(diào)控的一個重要機制，適時地關(guān)閉不再需要表達的基因和清除不再有用的mRNA是基因表達調(diào)控的重要階段，轉(zhuǎn)錄本中參與調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定性的元件也存在于3′UTR中[2]。mRNA翻譯過程的調(diào)控對于基因表達的影響是非常重要的，通過一系列反式作用因子與mRNA的5′UTR或者3′UTR結(jié)合從而影響mRNA翻譯的起始、延伸及終止的過程，3′UTR對mRNA翻譯的調(diào)控主要通過以下兩方面進行：(1) 翻譯效率的調(diào)控：在多數(shù)情況下，3′UTR含有多種順式作用元件，它們能與反式作用因子相互作用來抑制翻譯的進行，其中最常見的順式作用元件有富含AU的元件(AREs)、富含GU的元件(GREs)、富含CU的元件(CUREs)及分化調(diào)控元件(DICEs)、富含CA的元件(CAREs)、離子反應(yīng)元件(IREs)和硒代半胱氨酸插入序列元件(SECIS)，它們可以與相應(yīng)的反式作用因子相互作用從而調(diào)控mRNA的翻譯效率。(2) 編碼功能的調(diào)控：在真核細胞中，UGA密碼子一般是翻譯終止信號，但在3′UTR內(nèi)存在的順式作用元件“硒代半胱氨酸插入序列”(SECIS)的指導(dǎo)下，UGA編碼的罕見硒代半胱氨酸(Se-Cys)能摻入多肽鏈中，從而控制某些特殊遺傳密碼子的辨認，進而調(diào)控mRNA的編碼功能[7]。

3.3′UTR控制mRNA的定位：3′UTR在轉(zhuǎn)錄本的定位和翻譯調(diào)控中起到至關(guān)重要的作用，這包括mRNA的定位和蛋白質(zhì)合成的胞質(zhì)定位，mRNA的定位主要取決于順式作用元件3′UTR，這種定位元件長度一般從幾個核苷酸(nt)到>1kb，且主要存在于3′UTR中[8]。研究表明，細胞質(zhì)內(nèi)有很多種mRNA是特定定位的，這在果蠅卵細胞中表現(xiàn)最為突出，其內(nèi)的許多mRNA和蛋白質(zhì)的正確定位對胚胎極性的建立以及隨后的胚胎分裂是必需的，mRNA在胞質(zhì)中的具體定位與轉(zhuǎn)錄本和細胞骨架之間的相互作用有關(guān)[7]。

4.3′UTR與主要的反式作用因子相互作用參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控:眾所周知，3′UTR可以與反式作用因子相互作用從而參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，目前常見的反式作用因子主要有RNA結(jié)合蛋白(RBPs)和非編碼RNAs(non coding RNAs)，其中包括microRNAs(miRNAs)，small nucleolar RNAs(snoRNAs)及l(fā)ong non coding RNAs(lncRNAs)。miRNAs是一些由內(nèi)源性基因編碼的長度約22nt的單鏈non coding RNAs, 它們的靶向序列一般有2～8個核苷酸與mRNA 3′UTR的5′端或“seed region”互補結(jié)合來調(diào)控基因的表達，從而阻止靶mRNA的翻譯或者直接降解靶mRNA[9]。第1個被確認的miRNA——在線蟲中首次發(fā)現(xiàn)的lin-4和let-7，可以通過部分互補結(jié)合到目的mRNA靶的3′非編碼區(qū)(3′UTRs)，以一種未知方式誘發(fā)蛋白質(zhì)翻譯抑制，進而抑制蛋白質(zhì)合成，通過調(diào)控一組關(guān)鍵mRNAs的翻譯從而調(diào)控線蟲發(fā)育進程，目前已有越來越多人證明了突變發(fā)生在miRNA或3′UTR的靶向區(qū)域內(nèi)將改變靶基因的表達進而影響腫瘤的發(fā)生率[3,10]。

3′UTR也可以與RNA結(jié)合蛋白相互作用參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，RBPs通過招募其他的效應(yīng)分子或者直接與3′UTR的順式作用元件相互結(jié)合從而參與基因轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控，近年來研究發(fā)現(xiàn)一些核酸分子可以介導(dǎo)蛋白及蛋白的相互作用(PIP)，從而調(diào)控蛋白質(zhì)的多種代謝過程包括蛋白復(fù)合物的形成、蛋白質(zhì)的定位及蛋白的功能等過程，而不改變其自身的氨基酸序列，這為拓寬3′UTR的功能提供思路[11, 12]。

三、3′UTR與腫瘤的關(guān)系

1.3′UTR的突變與腫瘤的關(guān)系：正常組織中，調(diào)控細胞增殖、凋亡、細胞壽命、細胞侵襲和極性的這些通路是正常有序進行的，而在腫瘤組織中，這些通路是調(diào)控異常的，目前已經(jīng)有多篇報道，在人類腫瘤細胞中發(fā)現(xiàn)一些mRNA 3′UTR的突變和異常表達，而這些突變和異常是存在于腫瘤的病變開始到侵襲轉(zhuǎn)移過程中的，從而能調(diào)控腫瘤發(fā)生、進展和轉(zhuǎn)移等過程[3]。3′UTR突變包括點突變、移位、缺失、擴增等形式，其中點突變?nèi)舭l(fā)生在與miRNA結(jié)合區(qū)將會產(chǎn)生或破壞miRNA與mRNA的結(jié)合，從而引發(fā)惡性轉(zhuǎn)化，3′UTR缺失會通過選擇性改變poly(A)來縮短3′UTR從而改變miRNA調(diào)控的癌基因，例如癌基因IGF2BP1/IMP1，將會導(dǎo)致癌基因的轉(zhuǎn)化[13]。近年來，通過對人類全基因組相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)突變發(fā)生在非編碼區(qū)要比編碼區(qū)的突變更易引起疾病，突變發(fā)生在3′UTR的結(jié)合區(qū)或miRNA會破壞調(diào)控機制，從而引起細胞惡性轉(zhuǎn)化導(dǎo)致腫瘤發(fā)生[3]。有文獻報道BRCA1的3′UTR區(qū)的單核苷酸突變將成為一個腫瘤標(biāo)志物來預(yù)測腫瘤風(fēng)險，在BRCA1突變的患者中PHB和MTHFR的3′UTR的單核苷酸突變導(dǎo)致乳腺癌發(fā)生風(fēng)險增加[14]；另外有研究發(fā)現(xiàn)3′UTR與microRNA的結(jié)合區(qū)發(fā)生突變將會影響腫瘤的發(fā)生，如REV3L 基因3′UTR單核苷酸突變后促進肺癌的發(fā)生[15]。表皮生長因子體(EGFR)通過介導(dǎo)細胞壽命、細胞凋亡、腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移來參與致瘤過程，最近發(fā)現(xiàn)EGFR的3′UTR 774T>C突變能促進膀胱癌的發(fā)生[16]。KIT基因3′UTR與microRNA結(jié)合區(qū)發(fā)生突變后會增加肢端黑色素瘤發(fā)生的風(fēng)險[17]；mannose-binding lectin 2 (MBL2)的3′UTR的SNP可以增加結(jié)直腸癌發(fā)生的風(fēng)險[18]。MDM4基因能通過抑制p53蛋白功能促進腫瘤的發(fā)生，因此當(dāng)MDM4的3′UTR突變將會影響卵巢癌的進展及化療敏感度進而延遲卵巢癌進展和腫瘤相關(guān)的死亡[19]。Thymidylate synthase (TS)基因的3′UTR的突變與非小細胞肺癌的化療敏感度有關(guān)[20]。MYCL1基因的3′UTR的SNP將會增加小細胞肺癌的易感性[21]；cyclin E1基因的3′UTR的SNP與鼻咽癌發(fā)生相關(guān)[22]。這些提示3′UTR的突變對于腫瘤的發(fā)生、發(fā)展具有重要的作用，這使其有可能成為評估腫瘤發(fā)生風(fēng)險的生物標(biāo)志物。

2.3′UTR作為獨立RNA分子與腫瘤的關(guān)系：眾所周知，3′UTR可以通過與反式作用因子主要有RNA結(jié)合蛋白(RBPs)及 miRNAs相互作用來調(diào)控mRNA多種代謝過程。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)3′UTR可以作為獨立的RNA分子發(fā)揮來調(diào)控靶基因的表達和相應(yīng)的生物學(xué)活性。有文獻報道，抗增殖蛋白基因prohibitin mRNA擁有較長的3′UTR，它發(fā)揮的抗增殖活性區(qū)域定位于3′UTR，研究發(fā)現(xiàn)prohibitin 3′UTR在乳腺癌癥細胞中可以以一種獨立的RNA分子發(fā)揮抑癌功能[23]。另外有研究發(fā)現(xiàn)，C/EBPβ 3′UTR包含腫瘤抑制功能的RNA調(diào)控元件，其3′UTR可以作為獨立存在的RNA分子發(fā)揮抑癌功能[24]。核苷酸還原酶基因的3′UTR可以作為一種重要限制酶參與DNA合成從而抑制轉(zhuǎn)化成纖維細胞與腫瘤細胞(HeLa)的生長增殖和轉(zhuǎn)移的過程，這些研究提示3′UTR可能可以單獨作為抑癌基因又可以作為癌基因來發(fā)揮作用，使得3′UTR可能作為一種新的RNA分子成為腫瘤診斷的分子標(biāo)志物或者藥物靶點從而指導(dǎo)腫瘤的診斷和治療[25]。

綜上所述，3′UTR在轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控及其突變在細胞分化，生長發(fā)育、增殖凋亡及腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮如此重要的作用，也越來越多的引起研究者的關(guān)注，隨著對于3′UTR及miRNA作用機制的深入研究，將有助于更加全面地了解細胞生長、分化、惡性轉(zhuǎn)化、細胞周期調(diào)控等生命現(xiàn)象的復(fù)雜性，從而使人們對于高等真核生物基因表達調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)理解提高到一個新的水平，隨著對3′UTR與腫瘤關(guān)系的研究的進一步深入，也將使3′UTR可能成為腫瘤診斷的新的生物學(xué)標(biāo)志，還可能使得這一分子成為藥靶，或是模擬這一分子進行新藥研發(fā)，從而可能為人類疾病及腫瘤的預(yù)防、診斷和治療提供一種新的手段，并拓寬3′UTR相關(guān)腫瘤的診斷和治療的領(lǐng)域和視野。