一個新型的tRNA來源的片段AS-tDR-007333通過HSPB1/MED29和ELK4/ MED29軸促進NSCLC的惡性

肺癌是最常見的癌癥類型，非小細胞肺癌(NSCLC)占所有肺癌病例的85%。目前近年來在肺癌的診斷和治療方法上取得了很大的進步，但NSCLC患者的5年總體生存率仍不令人滿意。tRNA衍生片段(tRFs)是一種新型的小非編碼RNA，由成熟或前體轉移RNA (tRNAs)的特異性切割產生。在某些癌細胞中，一些tRFs與增殖、遷移和侵襲有關。然而，tRFs是否以及如何參與NSCLC的腫瘤發(fā)生仍然是一個很大的未知數。該研究發(fā)表于《Journal of Hematology & Oncology》，IF:14.136。

技術路線：

主要研究結果：

1. Circulating tRFs在NSCLC患者術前和術后血漿樣本中存在差異表達

為了識別和表征在NSCLC中差異表達的Circulating tRFs，作者比較了9對來自NSCLC患者術前和術后血漿樣本的tRF表達譜。tRF和tiRNA測序顯示tRF表達譜在術前和術后血漿樣本之間存在顯著差異(圖1A)。Circulating tRFs的長度在15 - 50個核苷酸(nt)之間，分別有53.97%和30.11%的tRFs在20 – 23 nt和31 – 33 nt之間(圖1B)。值得注意的是，大部分術后血漿中tRFs的表達水平明顯低于術前血漿樣本(圖1B)，提示血漿中tRFs上調與NSCLC中腫瘤的存在相關。另外，不同的tRNAs通過切割成具有相同序列的片段可以產生一種類型的tRF或tiRNA(圖1C, D)。大多數血漿tRF來自tRNAs的5’端，同樣，tiRNA系列更多屬于tiRNA-5 (Fig. 1E, F)。

圖1非小細胞肺癌患者血漿tRF譜特征

2. tRF AS-tDR-007333在NSCLC中表達上調

與術后血漿樣品相比，手術前血漿樣品中確定了4個上調TRF和4個下調tRF。通過qRT-PCR檢測，證實AS-tDR-007333在NSCLC患者術前血漿中表達水平明顯高于術后血漿標本 (圖2A)。另外，NSCLC患者(n=29)和健康對照(n=45)血漿樣品組的qRT-PCR分析顯示，NSCLC患者血漿AS-tDR-007333濃度顯著高于健康對照(圖2B)。受試者工作特征(ROC)分析顯示曲線下面積(AUC)為0.9379(敏感性=97.78%，特異性=79.31%)(圖2C)，提示血漿AS-tDR-007333的水平具有作為診斷NSCLC生物標志物的潛力。此外，AS-tDR-007333在NSCLC細胞株(PC9、HCC827、NCI-226和A549)中的表達水平也高于正常人支氣管上皮細胞(BEAS-2B)(圖2D)。此外，AS-tDR-007333在NSCLC腫瘤組織中的表達水平顯著高于相鄰正常組織 (圖2E)。綜上所述，多項證據明確表明AS-tDR-007333在NSCLC中表達上調，并可能在NSCLC的發(fā)病機制中發(fā)揮關鍵作用。

圖2 tRF AS-tDR-007333在非小細胞肺癌中表達上調，與非小細胞肺癌患者預后較差相關

3. AS-tDR-007333的高表達與NSCLC預后不良相關

為了評估AS-tDR-007333在NSCLC患者中的臨床意義，用FISH法測定了AS-tDR-007333在NSCLC腫瘤組織及癌旁組織中的表達水平。結果顯示AS-tDR-007333水平與TNM分期呈正相關(圖2F, H)，提示AS-tDR-007333水平與NSCLC的進展相關。此外，AS-tDR-007333在細胞質中比在細胞核中更豐富(圖2G)。根據AS-tDR-007333的細胞質評分分為兩組(評分≥3，高表達;分數≤3，低表達)，Kaplan Meier生存分析顯示，高AS-tDR-007333水平與NSCLC患者較低的總生存相關(圖2I)。因此，臨床資料強烈表明，高AS-tDR-007333水平與NSCLC患者不良預后相關。

4. AS-tDR-007333促進NSCLC細胞增殖和遷移

為了評估AS-tDR-007333在NSCLC中的生物學功能，在NSCLC細胞中進行了過表達和敲除實驗。CCK-8實驗顯示過表達AS-tDR-007333顯著促進細胞增殖，而敲低AStDR-007333顯著抑制NSCLC細胞增殖(圖3A-D)。為了驗證AS-tDR-007333對NSCLC細胞增殖的影響是否反映細胞周期轉變，采用流式細胞儀分析細胞周期進程。結果表明，過表達AS-tDR-007333可將PC9細胞阻滯在S期，而抑制AS-tDR-007333可降低S期細胞的比例(圖3E-H)，A549細胞中也觀察到類似的結果(圖3I-L)。此外，過表達AS-tDR-007333組的遷移細胞數量明顯高于對照組，而AStDR-007333抑制劑逆轉了這些影響(圖3M-Q)。

圖3 AS-tDR-007333促進NSCLC細胞增殖和遷移能力

5. AS-tDR-007333通過上調MED29增強NSCLC細胞增殖

為了探究AS-tDR-007333調控的靶基因，將AS-tDR-007333轉染到NSCLC細胞中。RNA-seq分析顯示，AS-tDR-007333過表達細胞的轉錄組譜與NC細胞不同(圖4A, B)。在差異表達基因中，AS-tDR-007333過表達上調最高的是MED29(圖4C)。GO分析顯示，差異表達基因在細胞組分的中介復合物(medium complex, MED)中顯著富集(圖4D)。此外，MED29在NSCLC腫瘤組織中的表達水平明顯高于癌旁組織(圖4E)。同樣，qRT-PCR和Western blot分析證實，MED29基因和蛋白在NSCLC細胞中顯著上調(圖4F)。綜上所述，這些結果提示AS-tDR-007333誘導的MED29上調可能在NSCLC的發(fā)病中起重要作用。

為了驗證AS-tDR-007333與MED29在NSCLC中的關系，將AS-tDR-007333轉染到NSCLC細胞中。Western blot和qRT-PCR分析顯示，過表達AS-tDR-007333顯著促進了MED29的表達，而抑制AS-tDR-007333則降低了MED29的表達水平(圖4G)。此外，CCK-8檢測顯示，上調MED29促進A549和PC9細胞的增殖(圖4H, I)，而下調MED29抑制NSCLC細胞的生長速度(圖4J, K)。綜上所述，這些結果提示AS-tDR-007333促進了MED29的表達，而MED29隨后作為癌基因增強了NSCLC細胞的增殖。

圖4 AS-tDR-007333通過上調MED29促進NSCLC細胞增殖

6. AS-tDR-007333與HSPB1相互作用，表觀遺傳學增強MED29的轉錄

為了闡明AS-tDR-007333在NSCLC中發(fā)揮生物學功能的機制，進行了RNA-pulldown實驗，然后在NSCLC細胞中進行了質譜分析(圖5A)。結果發(fā)現AS-tDR-007333與幾種與癌癥相關的RNA結合蛋白發(fā)生沉淀，包括HSPB1、DHX9、ACTB、YBX3和ILF2 (圖5B)。其中，鑒于作者比較感興趣的是HSPB1，因為HSPB1匹配分最高，并且有報道稱HSPB1與NSCLC的發(fā)生進展有關。RIP實驗證實AS-tDR-007333特異性結合內源性HSPB1(圖5C)。計算蛋白質RNA對接分析也表明，HSPB1蛋白中的幾個氨基酸殘基對AS-tDR-007333結合至關重要(圖5D)。這些數據提示AS-tDR-007333可能通過直接結合HSPB1在NSCLC細胞中發(fā)揮其生物學功能。

確定AS-tDR-007333是否通過與HSPB1相互作用調控NSCLC細胞增殖。首先檢測了HSPB1在NSCLC細胞系和BEAS-2B細胞中的表達水平。qRT-PCR和Western blot結果一致顯示，HSPB1在NSCLC細胞中的表達水平明顯高于BEAS-2B細胞(圖5E,F)。si-HSPB1和AS-tDR-007333共轉染NSCLC細胞的挽救實驗顯示，si-HSPB1可顯著降低過表達AS-tDR-007333增加的細胞增殖能力(圖5G-J)，這表明AS-tDR-007333對NSCLC細胞增殖的影響是功能依賴的，至少部分依賴于HSPB1。

圖5 AS-tDR-007333在NSCLC細胞中直接與HSPB1結合并相互作用

AS-tDR-007333可以與HSPB1互作，增強MED29的表達，因此推測AS-tDR-007333可能通過調控HSPB1來發(fā)揮其生物學功能，從而進一步修飾MED29的表達和功能。為了驗證我們的假設，將AS-tDR-007333及其抑制劑轉染到NSCLC細胞中，發(fā)現過表達AS-tDR-007333增加了HSPB1基因和蛋白的表達水平，而敲除AS-tDR-007333降低了HSPB1的表達(圖6A-D)。敲除HSPB1不僅抑制了HSPB1的表達，還抑制了MED29的表達(圖6E, G)。Co-IP實驗表明，在NSCLC細胞中，HSPB1可以與MED29結合(圖6F)，表明HSPB1和MED29之間存在潛在的相互作用。熒光素酶實驗驗證，AS-tDR-007333上調可顯著提高MED29啟動子活性，而AS-tDR-007333與si-HSPB1共轉染可降低MED29啟動子活性(圖6H)。在功能上，將MED29和si-HSPB1共轉染到NSCLC細胞中可以顯著抑制MED29對細胞增殖的影響(圖6I, J)。綜上所述，AS-tDR-007333可能通過激活HSPB1-MED29的相互作用來增強NSCLC細胞的增殖。

組蛋白修飾在基因轉錄的表觀遺傳調控中起著重要作用。Western blot檢測結果顯示，與野生型細胞相比，si-HSPB1抑制H3K4me1和H3K27ac的表達水平(圖6K)。此外，ChIP-qPCR檢測表明，HSPB1敲除顯著降低了MED29啟動子區(qū)H3K4me1和H3K27ac的水平(圖6L, M)。因此，這些數據表明AS-tDR-007333可能促進癌細胞增殖，至少部分是通過HSPB1介導的MED29啟動子中的H3K4me1和H3K27ac修飾實現的。

圖6 AS-tDR-007333激活HSPB1調控MED29啟動子區(qū)H3K4me1和H3K27ac水平

7. AS-tDR-007333通過激活ELK4介導的轉錄調控上調MED29

由于HSPB1-MED29相互作用只能部分解釋MED29的表達，并且已經有人提出轉錄因子(TF)可以靶向特定的MED亞基誘導轉錄反應，因此推斷MED29的轉錄可能受到特定轉錄因子的影響。利用JASPAR和UCSC數據庫分析，發(fā)現MED29啟動子包含轉錄因子ELK4假定的結合位點(圖7A)。為了評估ELK4對NSCLC的影響，將si-ELK4轉染到NSCLC細胞中，發(fā)現si-ELK4顯著抑制了NSCLC的增殖(圖7B，C)。將AS-tDR-007333轉染到NSCLC細胞中，發(fā)現AStDR-007333過表達顯著促進了NSCLC細胞中ELK4的表達水平(圖7D, E);相反，抑制AS-tDR-007333顯著降低了ELK4的表達(圖7D, F)。挽救實驗進一步證實AS-tDR-007333在NSCLC細胞增殖中與si-ELK4相互作用(圖7G，H)。 ChIP-PCR和熒光素酶報告基因實驗證實ELK4直接結合到MED29基因的預測啟動子區(qū)域(圖7I, J)?？偟膩碚f，這些發(fā)現表明AS-tDR-007333與ELK4相互作用修飾MED29啟動子轉錄。

圖7 AS-tDR-00733通過ELK4介導的轉錄激活調控MED29

8. 靶向AS-tDR-007333在體內抑制NSCLC細胞生長

鑒于AS-tDR-007333在NSCLC中扮演著致癌腫瘤因子的角色，推測抑制AS-tDR-007333可能對NSCLC有治療作用。為了評價AS-tDR-007333抑制劑的體內治療效果(圖8A)，合成AS-tDR-007333靶向抑制劑，并對其進行了優(yōu)化，用于體內研究。如圖8B、C所示，在整個實驗期間，AS-tDR-007333抑制劑組的腫瘤體積明顯小于NC組或空白對照組。AS-tDR-007333抑制劑組平均腫瘤重量顯著高于對照組；與NC和對照組相比，AS-tDR-007333抑制劑組移植瘤組織中AS-tDR-007333、HSPB1、ELK4和MED29的表達水平顯著降低(圖8F-I)， AS-tDR-007333抑制劑同時抑制了移植瘤組織中MED29和Ki-67蛋白的表達水平(圖8J)。因此，這些結果提示AS-tDR-007333抑制劑在體內可以通過抑制MED29的表達來抑制NSCLC腫瘤生長。

圖8靶向AS-tDR-007333 inhibitor抑制了體內NSCLC腫瘤生長

結論：

該研究確定AS-tDR-007333為NSCLC中的一種新型致癌腫瘤因子。AS-tDR-007333通過激活HSPB1和ELK4介導的表觀遺傳和轉錄調控軸，靶向致癌MED29，促進NSCLC細胞的惡性腫瘤。此外，AS-tDR-007333抑制體外和體內NSCLC細胞增殖。該數據強調了tRF在NSCLC中的重要性，并表明AS-tDR-007333可以作為一種有前途的診斷/預后生物標志物和新的NSCLC治療靶點(圖9)。

圖9 AS-tDR-007333如何通過HSPB1-MED29和ELK4-MED29軸促進NSCLC的發(fā)生

參考文獻：

Yang W, Gao K, Qian Y, Huang Y, Xiang Q, Chen C, Chen Q, Wang Y, Fang F, He Q, Chen S, Xiong J, Chen Y, Xie N, Zheng D, Zhai R. A novel tRNA-derived fragment AS-tDR-007333 promotes the malignancy of NSCLC via the HSPB1/MED29 and ELK4/MED29 axes. J Hematol Oncol. 2022;15(1):53.