综述（IF：19.328）|Mol Cell：通过mRNA翻译实现癌症蛋白质组的多样化
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导读mRNA翻译是一种高度保守且复杂的蛋白质合成机制，众所周知，它可以被致癌基因改变以促进癌症的发展。这种异常的mRNA翻译一般伴随着癌症对一些抑制剂治疗的反应性减弱。新的研究还表明这些替代物可用于免疫治疗。核糖体异质性和对营养缺乏的替代反应有助于癌症的生长和扩散，这可能导致异常的蛋白质产生，但也可能有利于发现未知的治疗靶点，例如癌细胞表面的癌症特异性肽（新表位）。这篇综述系统总结了tRNA和核糖体功能的相关功能，这些功能是由于癌细胞中mRNA翻译的改变而导致蛋白质组多样化的基础。
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原名：Proteome diversification by mRNA translation in cancer译名：通过mRNA翻译实现癌症蛋白质组的多样化期刊：Molecular CellIF：19.328发表时间：2022.12通讯作者：Reuven Agami通讯作者单位：荷兰癌症研究所、荷兰昂科德研究所、鹿特丹大学
主要内容
1. 介绍
1.1 癌基因介导的mRNA翻译在癌症中的调控
mRNA翻译是细胞中最耗费能量的活动，也是一个严格调控的过程。它在控制基因表达方面发挥着重要作用，这一点可以从mRNA转录物浓度与其在细胞中的蛋白质水平之间的低相关性得到证实。总的来说，蛋白质的表达水平受各种转录后过程，如选择性剪接、选择性切割等形式的影响，虽然蛋白质的翻译后修饰在蛋白质表达和活性中起着重要作用，但 mRNA翻译机制成分的改变对于细胞快速适应环境变化、细胞内或细胞外刺激、应激反应的激活、细胞内和细胞外环境的变化都非常重要。因此，mRNA翻译的调控是癌症发展的关键步骤，使癌细胞能够独立于生长因子，并调整其蛋白质组以维持其表型和不断变化的微环境条件，从而促进细胞增殖、存活、血管新生和生长。
数十年的研究表明，癌症最显著的信号通路，包括RAS、丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）-蛋白激酶B（AKT）等通路，其协调mRNA翻译与细胞增殖。RAS-MAPK通路对细胞外刺激的激活具有明显反应，激活MAPK相互作用的丝氨酸/苏氨酸激酶1和2（MNK1/2）相关信号通路。反过来，MNK1/2磷酸化并激活真核翻译起始因子EIF4E（真核起始因子4E）-eIF4F复合物的关键亚基，调节核糖体与mRNA的连接。EIF4E结合核mRNA 5′端的7-甲基鸟苷残基，并启动翻译（图1A）。
RAS原癌基因还刺激PI3K/AKT信号通路，该通路诱导哺乳动物靶向雷帕霉素（mTOR）激活，并随后磷酸化翻译抑制蛋白eIF4E结合蛋白1（4E-BP1）。 4E-BP1磷酸化导致其从eIF4E释放，使eIF4E与eIF4G结合，并实现翻译的开始（图1A）。在前列腺癌、卵巢癌和乳腺癌中发现磷酸化4E-BP1的增加，并与晚期疾病和肿瘤进展相关。对细胞应激反应的进一步研究突出了翻译起始的其他机制，并且在乳腺癌细胞、白血病细胞、乳腺癌细胞和乳腺癌细胞中发现了其他更普遍的非规范翻译机制，并与细胞增殖、转移和血管生成有关。
鉴于mRNA翻译在基因调节和癌细胞发育中的突出作用，靶向致癌信号通路以抑制失调的mRNA翻译似乎是一种有潜力的新治疗方法，例如雷帕霉素类似物依维莫司和替米西罗莫司。由于MNK1/2是诱导这种磷酸化的唯一激酶，并且由于其作为帽依赖性/非依赖性翻译的介质的额外功能，抑制MNK1/2成为一种有前景的新方法。事实上，小分子MNK1/2抑制剂，如ETC-168、S63845、CGP57380、eFT508和SEL201，虽然其有一定临床局限性，但显示出有效且有利的抗癌效果。
同样，对关键翻译因素的直接和特定抑制也在研究中，一个值得注意的例子是靶向eIF4E，因为其表达与癌症患者的转移表型和不良预后相关，并且其在已知刺激细胞存活、生长和增殖的因子的翻译中的关键作用（图1A）；另一个例子是eIF4A的药理学直接靶点，其是eIF4F复合物的关键RNA解旋酶亚基。在肿瘤细胞中抑制eIF4A导致PD-L1被抑制，揭示了癌症中翻译和免疫检查点之间的联系。
除了抑制翻译起始成分作为对抗癌症的治疗策略外，该领域的最新研究方向集中于靶向翻译延长。例如，延伸因子eEF1A在许多癌症中上调，包括乳腺癌和卵巢癌。使用某些天然产物抑制eEF1A导致癌症中的细胞增殖减少，营养缺乏和DNA损伤、翻译延长的抑制对癌细胞可能是有利的。这在肿瘤微环境中常见的慢性应激状态中可能具有重要的意义，其特征是由于血液供应不足和营养有效性降低而导致的慢性缺氧。例如，翻译延伸因子2激酶（eEF2K）是应激反应调节的关键方面，因为它是eEF2的抑制剂。因此，它紧密调节延伸过程，并在营养缺乏的肿瘤细胞中上调，防止细胞凋亡并激活细胞保护性自噬。
这些例子突出了癌症中放松调控的mRNA翻译信号的复杂性质，使其容易受到mRNA翻译的直接抑制。然而，最近的报告表明，癌症中的mRNA翻译失控会独特地影响所产生蛋白质的质量和多样性，这可用于癌症治疗的原始方法。
2. 核糖体异质性导致的翻译失调
虽然核糖体本身是负责蛋白质合成的分子机器，但在一般的翻译失调，特别是在癌症中，核糖体本身却很少受到关注。这主要是由于将核糖体视为翻译机制中相对被动的组成部分，以及核糖体与核糖体之间的变异性很小的观点。然而，最近的进展表明，由于蛋白质补体（核糖体蛋白[RP]及其同系物，以及核糖体相关蛋白[RAP]）的多样性、RP和RAP的修饰、核糖体RNA（rRNA）的修饰以及rRNA序列本身的变化，核糖体组成存在广泛的异质性，单个细胞内可能存在多个核糖体群体，这对我们理解蛋白质合成有重要意义。这种核糖体异质性可能具有多种功能，但已被证明优先翻译特定的mRNAs。
有人建议以这种方式调节其他几个生物学过程，如发育、免疫监测和代谢，它们在癌症中的作用现在变得明显。事实上，核糖体功能的组织特异性的一个经典例子是核糖体疾病，如Diamond Blackfan贫血（DBA），其被认为是一种容易患癌的疾病。
研究最深入的核糖体异质性类型是由RP驱动的，虽然已知不同的RP在核糖体的结构、生物发生和功能中扮演着不同的角色，但大多数RP的功能仍然未知。然而，细胞中存在缺乏特定RP的核糖体。研究表明与多聚体相比，RPs在单体中表现出不同的化学计量，其中一些被富集，另一些被耗尽。然而，很少有研究表明这会导致翻译的改变。例如，RPL15以翻译依赖的方式对乳腺癌转移很重要，RPS19介导的翻译重组在慢性淋巴细胞白血病细胞中发挥作用（图2A）。
核糖体异质性不仅由RP的存在或缺失驱动，还由其修饰驱动。例如，RPS6的磷酸化是mTOR激活的一个已知的结果。这种修饰的确切功能尚不清楚，但体内敲除研究表明，它对于正常小鼠发育是可有可无的。类似地，RPL13在单核细胞中响应于干扰素γ（IFNγ）的暴露而磷酸化，这将其从核糖体排出，成为GAIT（IFN-γ激活的翻译元件抑制剂）复合物的一部分。虽然GAIT复合物调节几种炎症相关的mRNA，但RPL13缺乏也可能导致核糖体功能改变。
除了核糖体蛋白质的异质性之外，rRNA本身也是异质的，主要是由于2′-O-甲基化（2′-O-me）和假尿嘧啶化修饰，但也在它们的序列中。已经描述了超过100种rRNA修饰。最近的研究表明，大多数这些修饰在核糖体中是不变的，并且可能在核糖体生物发生过程中发挥作用。然而，一些rRNA修饰在不同条件下是可变的。例如，白血病细胞重塑rRNA修饰和重编程翻译，以促进化疗生存。
大量研究表明，超过70%的2′-O-me位点完全甲基化，其余部分部分甲基化。此外，已经注意到，2′-O-me和假尿嘧啶化修饰都聚集在核糖体的功能重要位置，到目前为止，尚未详细研究差异2′-O-me的精确功能。然而，MYC在18S rRNA亚基的特定位点调节2′-O-me，这对翻译有密码子依赖性影响；例如，假尿嘧啶化在一个特定部位的缺失是几种癌症类型的共同特征，尤其是在结直肠癌中，与对照组织相比，超过45%的患者表现出低于化学计量水平。此外，18S rRNA上两个假尿嘧啶化修饰的丢失以RAS依赖的方式诱导肝癌中其生物物理性质的改变。rRNA的化学修饰也有助于翻译调节。
有趣的是，在人类中发现的多个rDNA操纵子在其序列中表现出变异性，并在不同的组织中以不同的水平表达，以对不同的环境条件做出反应。在大肠杆菌中，研究表明，rDNA序列变异性通过改变应激反应基因的转录和翻译来调节细胞对营养缺乏的反应。
核糖体在免疫反应中的作用是一个有趣的问题，特别是考虑到免疫疗法在癌症治疗中的广泛应用。众所周知，翻译改变会导致呈现给免疫系统的抗原库发生改变。这些肽统称为缺陷核糖体产物（DRiPs），Yewdell及其同事于1996年首次假设，虽然规范起始的抑制阻断了几乎所有的蛋白质合成，但用于免疫监测的肽生成仅减少了50%，突出了非规范起始对抗原库的贡献。RP的异质性也显示出对肿瘤免疫监测的不同影响。RPS28敲除增加了HLA-A2的细胞表面表达，而不依赖于单个mRNA转录调节，而RPL6耗竭减少了免疫肽的表达。此外，RPL28敲除通过诱导rRNA甲基化模式的改变和调节相关蛋白来改变核糖体功能和肽呈递。这导致了人们对存在一种核糖体群体的猜测，这种核糖体群体具有增强的能力，能够生成用于免疫呈递的肽，即所谓的免疫核糖体。虽然有证据表明存在这样一个核糖体群体，但仍有待确定（图2A）。
总之，很明显，核糖体作为翻译中的同质被动参与者的概念可能是不准确的。核糖体异质性可以从根本上影响细胞身份和对外部线索的反应。核糖体异质性影响mRNA翻译、肽呈递和癌症的方式尚待阐明。
3. tRNA人群的异质性及其对癌症的影响
如前所述，许多致癌信号通路通过调节因子如MNK、4E-BP1和mTOR诱导mRNA翻译起始的改变（图1A）。此外，至少在某些癌症类型中，致癌基因也显示出对翻译延伸的调节。
tRNA是对翻译延伸和蛋白质合成至关重要的小的非编码RNA。它们在细胞核中被RNA聚合酶III转录，以产生过早的tRNA，这些tRNA被修饰并转化为成熟形式。tRNA作为衔接分子，将正确的氨基酸转移到相应的三碱基mRNA密码子，从而允许准确的蛋白质合成。核糖体中tRNA与其匹配的mRNA密码子的适当配对，称为mRNA解码。由于tRNA在蛋白质生产中的关键作用，其表达受到严格调控，其丰度通常与密码子使用相关，以确保最佳蛋白质生产，表明其调节作用。
在多种癌症中，由于致癌途径的激活，tRNA表达增强。这种上调似乎不是随机的，而是对富含癌症相关基因并在增殖和细胞生长中发挥作用的密码子的特定偏好。一项研究表明，并且丝氨酸在广泛的乳腺癌细胞中过表达。这些氨基酸构成磷酸化/去磷酸化的受体残基，这意味着tRNA参与信号通路的转录后控制。过度表达这些tRNA的细胞在富含相应密码子的mRNA转录物上的核糖体占有率有所提高。然而，这些转录物被证明与转移蛋白有关。
关于tRNA在癌症中的调节作用的其他证据来自对大约10000名癌症患者的tRNA表达模式的全球分析。该分析揭示了tRNA的不平衡分布，tRNA解码不同的密码子和tRNA相关酶，它们协同促进肿瘤发生，这表明tRNA水平可作为预后标志。作者所做的另一个有趣的观察是，与下调的tRNA密码子相比，上调的tRNA对应于人类基因组中使用率较低的密码子。这增加了一种可能性，即肿瘤生长过程中的tRNA上调被用来克服罕见密码子的翻译障碍，以调控蛋白质的生产。
除了其表达的调节外，tRNA还受到tRNA修饰酶的转录后修饰的调节。这些修改是tRNA解码所必需的，可以是所有tRNA的修改，也可以是少数tRNA的特定修改。在与mRNA的第三个核苷酸配对的反密码子的位置可以发现大量重要的修饰，这允许与密码子的碱基配对与正常的配对发生偏差。与反密码子环相邻的37个位置（3′端）的修饰也是高度保守的，对准确翻译至关重要。tRNA修饰增加了tRNA的稳定性，允许解码具有较少tRNA的61个有义密码子，并根据环境变化进行调整，以调控翻译过程。tRNA修饰的这种异质性在癌细胞的适应及其对治疗的抵抗力中也具有重要作用。例如，在表达BRAFV600E的黑色素瘤细胞中，对MAPK抑制剂的获得性抗性涉及激活PI3K信号通路和刺激催化U34 tRNA修饰的酶。U34酶通过增加HIF1a的水平并激活糖酵解和细胞存活，以密码子依赖的方式调节HIF1a翻译。另一个例子是甲基转移酶NSUN2酶，其介导tRNA 亮氨酸的U34处胞嘧啶至5-甲基胞嘧啶（m5C）修饰。NSUN2在MYC原癌基因激活后上调，其表达与许多癌症类型的细胞增殖和肿瘤生长相关。NSUN2诱导的m5C修饰也显示出保护tRNA不被切割，导致tRNA片段诱导应激反应、翻译减少和凋亡（图2B）。
氨基酰基tRNA合成酶（ARS）有助于将正确的氨基酸偶联到正确的tRNA。因为mRNA翻译的保真度取决于ARS对tRNA的精确氨基酰化，这一反应受到严格的质量控制机制的控制，以防止密码子重排中的有害错误。通过对氨基酸的极其敏感的选择，ARS保持高度精确的蛋白质合成。虽然ARS过去主要被认为是持家基因，但越来越多的报告将其活性与肿瘤形成和血管生成过程联系起来。一个例子是亮氨酸tRNA合成酶1（LARS1），其用作细胞内亮氨酸水平的传感器，并诱导mTOR信号级联的激活。事实上，LARS1抑制剂BC-LI-0186在对mTOR抑制剂耐药的非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系中显示出抗肿瘤活性和细胞活力降低。另一个例子是苏氨酸tRNA合成酶（TRS），它被发现是类似于eIF4F的翻译起始的替代调节因子。TRS作为起始复合物的支架蛋白，靶向主要参与血管生成的特异性mRNA，还发现ARS是MYC癌基因下游的关键介质。Zirin等人证明，与使用强力霉素MYC系统的非诱导对照相比，ARS在表达诱导型MYC的细胞中的抑制作用很强。ARS的抑制作用由于消除了支持癌细胞生长的MYC诱导的平衡翻译程序而导致细胞凋亡。
令人惊讶的是，ARS还显示出肿瘤抑制功能。检测到几种ARS蛋白水解产物，如色氨酰tRNA合成酶1，作为抑制血管生成活性的分泌细胞因子；另一个有趣的例子是LARS1，它在乳腺癌中下调。LARS1下调通过选择性减少亮氨酸tRNAs氨基酸的氨基酸电荷促进肿瘤发生，从而明确抑制富含亮氨酸密码子的肿瘤抑制基因的翻译。
总之，这些发现强化了这样一个观点，即tRNA不仅充当衔接分子，而且可能改变翻译程序以有利于特定表型，更好地理解它们的调节对于开发新的治疗方法是必要的。
4. 癌症中的密码子重排是翻译失调的结果
如上所述，准确解码是合成高质量功能蛋白的关键步骤。毫不奇怪，导致氨基酸错误结合的不准确解码通常被认为对细胞命运有害。一种这样的机制是由核糖体将tRNA与其mRNA上的同源密码子错配导致的（图2C）。癌症中tRNA表达的下调会导致不平衡，从而扰乱核糖体中tRNA的密码子竞争，这可能导致将错误的氨基酸分配给不断增长的多肽链，绘制和检测整个蛋白质组翻译错误已经表明，大多数氨基酸替换主要来源于非同源tRNA的核糖体错配，相应tRNA含量较低的密码子容易出错，由于翻译的准确性和速度之间的权衡。
在应激条件下，如营养缺乏或氨基酸耗竭，由于异常的tRNA的积累，翻译错误率会提高。虽然翻译错误通常被认为是致命的，但最近的研究表明，适应性误译对肿瘤细胞有有益的影响。经常暴露于营养压力条件下的肿瘤细胞容易增加替代率，产生异常蛋白质，丰富其蛋白质组景观的多样性。这种蛋白质组的多样性可能支持它们对环境变化的重新调整，从而允许在恶劣条件下生存或药物耐受性的发展。此外，在健康的结肠细胞中，含有特定密码子的不适当氨基酸的突变tRNA的表达被证明可以促进肿瘤生长和血管生成，并偏向于某些氨基酸替代，这种现象在丙氨酸密码子位点丝氨酸的错误结合中尤为突出。
最近发表的另一个例子是，在色氨酸耗尽时，苯丙氨酸错误地掺入色氨酸密码子。大规模蛋白质组学分析证实，这些替代物在多种癌症类型中富集，并与致癌信号相对应。此外，对205例患者样本进行的鳞状细胞肺癌检查发现，与邻近健康组织相比，肿瘤中存在丰富的色氨酸至苯丙氨酸（W>F）密码子重排。W>F取代的潜在来源是WARS1对tRNA的错误调节，这在色氨酸耗尽后激活了两种氨基酸。在癌细胞的细胞表面也检测到内源性W>F取代肽，丰富了免疫感受域，并导致免疫反应激活。总之，氨基酸的错误结合是癌症中的常见事件，它可能对肿瘤细胞有有益作用。然而，这也可能提供大量新表位，可用于改善免疫治疗反应。
5. 氨基酸缺乏导致的核糖体移码
研究揭示了一种专注于延长核糖体的机制，肿瘤细胞通过这种机制克服延长抑制和相关的应激信号来抑制翻译。核糖体碰撞导致碰撞传感器ZAKα的激活，ZAKα介导p38/c-Jun N-末端激酶（JNK）和一般控制不可抑制2（GCN2）-ATF4介导的应激反应的激活，它还触发综合应激反应（ISR）以促进生存。因此，这一机制显示了翻译延长和启动之间的相互作用。在癌细胞中，营养缺乏导致不同的反应机制。Bartok及其同事已经证明，浸润的T细胞引发IFNγ介导的色氨酸耗竭，从而导致靶细胞中色氨酸密码子的核糖体停滞。癌细胞表现出由核糖体移码引起的色氨酸密码子的持续翻译，研究人员后来的观察将致癌的RAS/MAPK与癌细胞中核糖体移框现象联系起来。在未转化的人类细胞系和小鼠类器官中，致癌RAS的表达可以诱导倾斜，并且可以被RAS-MAPK和mTOR通路的抑制剂抑制（图2D）。
因此，由于癌细胞中强烈的致癌信号传导导致的翻译失调会导致更多的碰撞，这些碰撞通过核糖体移码来解决，从而使癌细胞能够逃避翻译阻断。
总结与未来方向
在过去的几十年中，癌症治疗中的主要治疗努力之一是抑制mRNA翻译信号和在癌症中被放松调控的机械成分。然而，肿瘤内的异质性和肿瘤的高度适应性通常会导致肿瘤对此类治疗方法产生耐药性。另一方面，抑制免疫检查点的新治疗方法已显示出成功的效果，仅限于具有高突变负荷的癌症类型。在表征mRNA翻译事件方面的最新进展，如核糖体和tRNA异质性以及受到营养胁迫和免疫细胞攻击的癌细胞中错误的蛋白质生产，开辟了抗癌的新途径（图1B）。
虽然微环境条件恶劣，但诱导癌细胞中蛋白质产生信号的改变似乎允许肿瘤进展。在失调的mRNA翻译信号以及核糖体和tRNA异质性的驱动下，应激期产生的蛋白质景观和蛋白质质量发生了变化。这些事件暴露了新表位形式的脆弱性，新表位是存在于癌细胞细胞表面的肽，可以通过免疫手段靶向。本综述中讨论的新兴领域揭示了潜在的联合治疗方法，这些方法扩展了传统方法的局限性，包括小分子抑制剂、膳食补充剂、抗体和靶向新表位的过继T细胞的联合治疗。然而，新表位临床应用的一个关键障碍是它们的全面识别；第二个可能的障碍是这种免疫疗法的潜在耐药机制。蛋白质组学和免疫肽组学研究癌症表位的快速进展，以及先进的生物信息学工具的开发，将有助于解决这些问题。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276522011030?via%3Dihub
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