新視角APA，RNA調控機制詳解

在過去的幾年里，大量的研究豐富了我們對APA的認識，APA是調節基因表達的一個重要和廣泛的機制。細胞中70%蛋白質編碼基因3’UTR中含有保守的miRNA靶點，11%蛋白質編碼基因3’UTR中含有RBP結合位點，APA通過調控3’UTR的長度，改變mRNA穩定性、定位和翻譯效率，改變癌基因或抑癌基因的蛋白質表達水平及其功能定位。另一方面，APA能夠形成丟失某些重要結構域的截短型蛋白，通過拮抗原有基因的功能參與疾病發生發展進程。因此，對APA形成機制的研究將為認識疾病發生發展提供新視角。

真核細胞中，絕大多數基因的初始轉錄產物——前體mRNA（pre-mRNA）必須經過剪接等加工過程，才能形成成熟的mRNA。在pre-mRNA成熟過程中，可變剪接（alternative splicing, AS）通過去除pre-mRNA內含子，使特定外顯子相互連接，經過后續修飾加工等過程形成成熟的mRNA。單個基因能夠利用多個切割和多聚腺苷酸化信號（PAS），產生兩個或多個具有不同3’末端的mRNA轉錄本。因此，選擇性多聚腺苷酸化（APA）在控制mRNA的穩定性、定位、翻譯、蛋白質編碼和蛋白質定位方面至關重要。本文主要介紹了APA及其功能、與疾病的關系、文獻分享等。

APA是指具有多個PAS的基因，在其mRNA 3’端成熟過程中，由于選擇不同的PAS，導致產生出多個3’UTR長度和序列組成不同的轉錄異構體。APA是真核生物的一個重要轉錄后調控方式。它廣泛存在于所有真核生物中，是基因調控的主要機制。APA具有組織特異性，對細胞的增殖和分化具有重要意義。

圖1 APA示意圖

APA的功能

APA調控主要影響目標mRNA的穩定性和翻譯效率以及翻譯后蛋白質的細胞定位，進而精細調節基因表達。

APA影響mRNA穩定性

3’UTR包含被RBP、miRNAs和lncRNAs特異性識別的順式元件。miRNAs可以與mRNA的3’UTR結合，并在轉錄后水平上調控基因表達。它們通過翻譯抑制和降解mRNA來調節其結合mRNA的翻譯和穩定性。由于3’UTR中存在APAs，產生了不同3’端異構體。這種機制可以改變3’UTR所包含的miRNA結合位點。

APA對mRNA翻譯的影響

除了包含決定mRNA穩定性的序列外，3’UTR還包括與調節mRNA翻譯的因子相互作用的元件。APA對mRNA翻譯的影響的研究已經報道較長的異構體通常結合在多聚體組分中，并具有更高的翻譯效率。未受刺激的海馬神經元主要包含一種腦源性神經營養因子（BDNF）亞型，具有更短的3’UTR，而更長、更有效翻譯的3’UTR亞型只在神經元激活或分化后存在。

mRNA的核輸出和定位

3’UTR相關的RBPs和運動蛋白之間的相互作用可以促進轉錄本動員到不同的亞細胞隔間。~10%的3’UTR APA亞型在細胞核和細胞質之間的分布差異，長3’UTR亞型通常在細胞核中富集。3’UTR APA也會導致細胞質內的定位差異，因為長3’UTR有助于mRNA定位到內質網（ER），并加速膜蛋白的表達。

蛋白質定位

3’UTR的APA可以影響不同3’UTR長度的mRNA轉錄本產生的蛋白質的定位，而不依賴于mRNA的定位。3’UTR APA對CD47蛋白定位有影響。具有短3’UTR和長3’UTR的CD47亞型編碼相同的蛋白質。由較短的亞型蛋白編碼的蛋白質定位于內質網，而由較長的亞型蛋白編碼的蛋白質定位于質膜。

APA功能

目前已知絕大多數的真核生物基因都存在APA。作為基因表達的一個重要調控機制，APA的異常與人類疾病密切相關。目前發現，血液、免疫、神經、癌癥等多種疾病與APA的異常相關。

癌癥

正常細胞中癌基因通常使用遠端PAS形成長3’UTR亞型，而腫瘤細胞往往使用近端PAS而形成短3’UTR亞型。3’UTR的縮短可能顯著減少了miRNA的抑制作用，使mRNA更趨于穩定，翻譯效率顯著提高，使相關基因蛋白質表達水平升高。乳腺癌腫瘤樣本的PAS-seq測序分析發現，ER陽性乳腺癌組織中PRELID1基因mRNA的3’UTR顯著縮短(PRELID1短亞型)，與PRELID1長亞型相比，PRELID1短亞型顯著提高PRELID1基因mRNA穩定性和翻譯效率，隨著PRELID1表達水平的提高，腫瘤細胞生長速度加快，腫瘤患者生存率顯著降低。

神經退行性疾病

在阿爾茲海默癥(AD)患者中，微管相關蛋白的Tau基因選擇利用近端PAS，避免了miR-34a的抑制作用，導致TAU蛋白的表達增加，加劇神經元內TAU蛋白凝聚，造成神經纖維纏結。在帕金森疾病(PD)患者中，細胞內多巴胺會促進α-突觸蛋白(α-synuclein)基因產生長3’UTR亞型轉錄本，增強了α-突觸蛋白轉錄本的穩定性和蛋白表達水平，造成α-突觸蛋白由突觸末端向線粒體和細胞體轉移，蓄積的α-突觸蛋白形成路易小體。

免疫

在動脈粥樣硬化、II型糖尿病、結腸炎和關節炎等慢性炎癥疾病患者中，炎癥反應因子NLRP3的短3?UTR亞型轉錄本的表達水平較高，NLRP3的短3’UTR亞型轉錄本可逃避TTP和miR-223的負調控，導致NLRP3蛋白表達升高，誘導機體發生炎癥反應。

血液疾病

在地中海貧血患者中，α2-globin和β-globin基因近端PAS的突變和缺失造成了遠端PAS選擇利用的增加；同樣發現，在靜脈血栓患者中，近端PAS突變引起的凝血酶原基因遠端PAS的利用增加。在急性粒細胞白血病患者中，CPSF160的表達顯著高于健康人群，造成白血病相關的融合基因產生高穩定性的短3'UTR亞型轉錄本，促進白血病細胞生長。

參考文獻