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Molecular Cancer | lncRNA和circRNA編碼的腫瘤相關功能肽的新興作用
來源: | 作者:geneseed | 發布時間: 2020-02-13 | 1266 次瀏覽 | 分享到:
非編碼RNA(ncRNA)可以調節各種腫瘤過程,是重要的潛在癌癥診斷和預后生物標志物。通常認為,它們不編碼蛋白質,但生物信息學和翻譯組學已經開始闡明由ncRNA編碼的功能肽的作用和作用方式。近日,中南大學腫瘤研究所熊煒教授團隊Molecular Cancer(IF=10.679,中科院1區)雜志上發表了一篇題為‘Emerging role of tumor-related functional peptides encoded by lncRNA and circRNA’的文章,從預測方法和分子機制方面系統總結了腫瘤相關長鏈非編碼RNA(lncRNA)和環狀RNA(circRNA)編碼短肽的最新進展。

ncRNA編碼潛力的預測和小肽的鑒定

鑒于對ncRNA編碼的多肽的興趣日益增加,已經開發了許多預測和實驗鑒定方法來確定ncRNA的編碼能力。作者表明,這些方法包括閱讀框(ORF)預測,翻譯起始成分(IRES)預測,保守性分析以及翻譯組學和蛋白質組學等。

ORF預測:ORF是從ATG(或RNA中的AUG)開始并以三堿基組連續到終止密碼子的核酸序列,sORF通常小于300 nt。作者在表1中列舉了目前預測ORF的軟件和網站;



IRES 預測:IRES是一種RNA調節元件,可募集核糖體,實現核糖體組裝和閱讀框蛋白質翻譯,并啟動獨立于5'帽結構和直接翻譯的蛋白質翻譯。IRES介導的翻譯的選擇性可以調節生理和病理過程,例如細胞生長、增殖、分化、應激反應和凋亡。作者在表2中列出用于預測IRES的網站。
m6A修飾預測:在高等生物的mRNA和ncRNA中,m6A修飾非常普遍。m6A修飾可調節哺乳動物基因的表達,以及轉錄后水平的RNA穩定性、定位、剪切和翻譯。最近發現,m6A對翻譯有多種影響,其調節機制異常與腫瘤發生有關。作者在表3中列出篩選m6A基序的常用工具。

保守性分析:保守序列表明潛在的功能和/或在細胞發育和調控中起重要作用。進化保守性(包括ncRNA序列,sORF和小肽氨基酸序列)可作為ncRNA編碼功能分析的預測因子。可通過BLAST和UCSC等網站以及MegAlign、MEGA和Clustal之類的軟件分析序列的保守性。


另外,目前常見的翻譯組學蛋白質組學也可用于預測ncRNA是否翻譯成多肽。


本文也簡單介紹了幾種實驗方法識別ncRNA的翻譯功能,例如,將體外構建的FLAG標記的表達載體導入細胞,隨后通過蛋白質印跡法在預期的分子量處識別出不同的條帶,表明帶有FLAG標簽的人工構建的ncRNA已被翻譯。又如,內源性翻譯產物可以通過蛋白質印跡法鑒定,也可以通過特異性抗體來鑒定。分離樣品中的蛋白質和多肽,并通過LC-MS / MS測定等。其他方法可以參考原文。


近年來,對編碼ncRNA的蛋白質的研究一直在增加,本文也重點介紹了與腫瘤相關的lncRNA和circRNA編碼的多肽的功能及作用機制。



圖1 circRNA和lncRNA編碼的小肽調節腫瘤增值

 
1、
SHPRH-146aa

SHPRH基因的環狀形式編碼蛋白質SHPRH-146aa。Circ-SHPRH和SHPRH-146aa在正常人腦組織中高表達,在膠質母細胞瘤中下調。circ-SHPRH中的環化形成串聯終止密碼子UGAUGA。通過以重疊的遺傳密碼開始和停止翻譯,整個circ-SHPRH被翻譯成146-aa蛋白質。針對跨越剪接位點的ORF產生的獨特氨基酸序列的抗體,以及通過LC-MS/MS證實circ-SHPRH被翻譯為SHPRH-146aa。SHPRH-146aa通過調節蛋白質泛素化途徑參與中樞神經系統癌癥的發展。SHPRH-146aa在U251和U373膠質母細胞瘤細胞中的過度表達可降低其體內外的惡性和致瘤性。SHPRH-146aa保護全長SHPRH免受泛素蛋白酶降解。它還通過增殖細胞核抗原來穩定SHPRH,可以抑制細胞增殖和致瘤性(圖1a)。



2、AKT3-174aa

Circ-AKT3是由AKT3第三至第七外顯子環化形成的。它長524-nt,主要定位于細胞質。由活躍的IRES驅動,circ-AKT3通過重疊的起始-終止密碼子UAAUGA編碼174-aa蛋白,即AKT3-174aa。AKT3-174aa與AKT3的殘基62-232具有相同的氨基酸序列。與正常腦組織相比,膠質母細胞瘤組織中AKT3-174aa被下調。AKT3-174aa,但不是circ-AKT3,起著抑癌作用。AKT3-174aa過表達可抑制膠質母細胞瘤細胞增殖,輻射抗性和致瘤性。PI3K / Akt途徑在各種膠質母細胞瘤發展和進展的致癌信號途徑中起著重要作用。PI3K激活后,Akt通過PH域募集到膜上,并在Thr308和Ser473依次磷酸化后被完全激活。PDK1直接使Thr308處的Akt磷酸化。第一步是Akt激活中最關鍵的步驟。AKT3-174aa的氨基酸序列與AKT3的氨基酸序列部分相同。因此,AKT3-174aa與活化的PDK1競爭性相互作用,抑制Thr308處的Akt磷酸化,并負調控PI3K / Akt信號通路(圖1b)。



3、PINT87aa

張等通過對正常人星形膠質細胞和U251膠質母細胞瘤細胞進行circRNA轉錄組和RNC-RNA測序以及生物信息學整合分析,鑒定lncRNA LINC-PINT的第二個外顯子通過自環化形成了環狀分子circPINT。后者包含一個sORF和一個天然IRES,其編碼從內源性circPINT外顯子2而非線性LINCPINT翻譯的87-aa多肽(PINT87aa)。它主要位于細胞核,與PAF1直接相互作用,調節PAF1/POLII復合物,抑制下游癌基因cpeb1,sox-2,c-Myc,cyclin D1等的轉錄延伸,并抑制膠質母細胞瘤和其他癌細胞類型的增殖(圖1c)。


4、
FBXW7-185aa

Circ-FBXW7的ORF可能跨越剪接位點。它在不同物種之間是高度保守的,并且編碼由IRES驅動的185-aa蛋白(FBXW7-185aa),與5'帽的翻譯機制無關。使用含有FLAG序列的構建體,可以在ORF終止密碼子之前在人細胞中翻譯Circ-FBXW7。FBXW7a是FBXW7最豐富的同工型,使用c-Myc作為泛素誘導的降解的腫瘤發生調節劑。泛素化酶USP28通過與FBXW7a的N末端相互作用與c-Myc結合來穩定c-Myc。FBXW7-185aa較FBXW7a而言對USP28的親和力較高,競爭性地抑制USP28與FBXW7a的結合,因此,干擾USP28誘導的c-Myc穩定,并縮短其半衰期(圖1d)。

 
5、
E7 protein

人乳頭瘤病毒產生由整個E7 癌基因的ORF產生的circRNA--CircE7。CircE7被m6A修飾,主要定位于細胞質。它與多核糖體緊密相關,可以翻譯成E7癌蛋白。在CaSki宮頸癌細胞中敲除CircE7可降低E7蛋白水平,抑制癌細胞增殖和集落形成,并抑制腫瘤生長和惡性腫瘤。CircE7對于在CaSki子宮頸癌細胞中體外和移植的腫瘤中E7蛋白表達和轉化都是必不可少的(圖1e)。


6、
UBAP1-AST6

蛋白質UBAP1-AST6是從lncRNA翻譯而來,主要定位于細胞核,并在A549肺癌細胞中表達。UBAP1-AST6促進癌癥,其過表達顯著誘導癌細胞增殖和集落形成(圖1f)。


圖2 circRNA和lncRNA編碼的小肽調節腫瘤的侵襲,轉移和增殖

 
7
circPPP1R12A-73aa

CircPPP1R12A在結腸癌組織中高度表達,可作為生存的預后指標。circPPP1R12A包含一個短的216-nt ORF,編碼保守的73-aa肽(circPPP1R12A-73aa)。沉默CircPPP1R12A可顯著抑制結腸癌細胞的增殖,遷移和侵襲。具有起始密碼子突變ATG/ACG的FLAG-circPPP1R12A過表達載體的構建證實,是circPPP1R12A-73aa而不是circPPP1R12A在結腸癌細胞的增殖,侵襲和轉移中起關鍵作用。通過激活Hippo-YAP信號通路,circPPP1R12A-73aa誘導結腸癌生長和轉移(圖2a)。

 
8、
HOXB-AS3 peptide

lncRNA HOXB-AS3是一個腫瘤抑制因子,在高度轉移性和原發性結直腸癌(CRC)組織中顯著下調。HOXB-AS3結合核糖體并編碼高度保守的53-aa肽(HOXB-AS3)。HOXB-AS3是內源的,天然存在的,并且在各種腫瘤組織中廣泛表達。HOXB-AS3抑制癌細胞的增殖,侵襲和轉移并抑制腫瘤的生長。HOXB-AS3水平低的結腸癌患者一般預后較差。HOXB-AS3在hnRNP A1的RGG基序中競爭性結合精氨酸,阻止hnRNP A1與丙酮酸激酶M(PKM)EI9序列結合,拮抗hnRNP A1介導的PKM剪接調控,并抑制PKM 2亞型的形成和miR-18a的產生。HOXB-AS3下調PKM2,但上調PKM1。PKM2是關鍵調節器有氧糖酵解和增加乳酸生產。因此,HOXB-AS3抑制CRC細胞中的有氧糖酵解(圖2b)。

 
9、
CircLgr4-peptide

CircLgr4在晚期CRC中高度表達,并與不良預后相關。LGR4在大腸腫瘤中也高表達,并通過泛素化和FZD受體穩定作用激活Wnt /β-catenin信號傳導。因此,它驅動大腸干細胞的自我更新和侵襲。CircLgr4編碼circLgr4-肽,該肽與LGR4相互作用以激活LGR4-Wnt信號通路。CircLgr4以依賴LGR4的方式驅動大腸干細胞的自我更新和侵襲。circLgr4-肽-Lgr4軸可用于靶向CRC治療[176](圖2c)。


10、
β-catenin-370aa

Circβ-catenin衍生自CTTNB1, 具有ORF和IRES,編碼β-catenin-370aa,與370-aaβ-catenin互為異構體。具有起始密碼子突變的circβ-catenin表達載體的構建表明,其功能可以歸因于其蛋白編碼能力而不是其非編碼特性。Circβ-catenin基因敲低對CTTNB1 mRNA水平無影響,但可顯著降低β-catenin蛋白水平。β-catenin被GSK3β磷酸化后,被泛素連接酶β-TrCP泛素化,并被蛋白酶體降解。由circβ-catenin編碼的β-catenin-370aa與GSK3β相互作用并起誘餌作用,以阻止其與全長β-catenin蛋白結合,從而抑制了GSK3β誘導的β-catenin降解。在肝癌中,β-catenin-370aa通過減少泛素化,激活Wnt /β-catenin途徑并促進腫瘤生長來穩定β-catenin(圖2d)。


11、
Nobody

LINC01420是在鼻咽癌中高表達的lncRNA。LINC01420表達升高的鼻咽癌患者的總生存率較低。敲低LINC01420顯著抑制鼻咽癌細胞的侵襲。LINC01420 / LOC550643的sORF編碼一種序列高度保守的微蛋白,名為nobody。它與mRNA封端蛋白相互作用,直接結合EDC4,從mRNA去除5'帽,促進5'到3'的衰變,并調節正常和異常轉錄本的降解。nobody主要位于P-body。它的水平隨著P-body數目的增加而降低。然而,該過程對腫瘤生長,發育和代謝的影響尚不清楚(圖2e)。


結論和未來展望

NcRNA編碼的蛋白質引起了很多科學家的好奇心。研究已經確定了存在并證實了ncRNA編碼的功能性肽的重要性。但是,對ncRNA編碼潛力的評估很困難。用于預測ncRNA中ORF,IRES和m6A的種間保守性的數據庫不完整,并且實驗驗證方法仍在開發中。大多數circRNAs由蛋白質編碼的外顯子產生,外顯子可能與其相關的mRNA重疊,導致難以區分翻譯產物的來源。此外,細胞和組織特異性表達使分析變得復雜。因此,可翻譯的sORFs的實際數量及其生物學功能仍然未知。


總之,這篇文章總結了ncRNA編碼的調節人類癌癥行為的小肽的最新進展。這項研究提供了有關ncRNA功能和機制的新觀點。因此,還建議未來可能對ncRNA進行更深入的研究,包括是否有更多的功能性肽或ncRNA編碼的蛋白,或者早期研究的ncRNA是作為asRNA進行分析還是對其潛在的編碼功能進行了研究,其機理是什么?在編碼功能肽的ncRNA的動態翻譯中,編碼小肽的ncRNA是以與RNA相似的方式進行翻譯后修飾?哪些因素和條件會影響ncRNA的翻譯?



參考文獻

1. Wu, P., Mo, Y., Peng, M., Tang, T., Zhong, Y., Deng, X., et al. 2020. Emerging role of tumor-related functional peptides encoded by lncRNA and circRNA. Molecular Cancer, 19(1), 22.

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