49类tRNA中，为什么偏偏少了它？
转运RNA（transfer RNA, tRNA）通常被介绍成蛋白质合成中的“适配器”：一端识别mRNA上的密码子，另一端携带相应氨基酸，将遗传信息转换为蛋白质。
但现在越来越多的研究表明，tRNA并不是数量固定、功能完全等价的“背景零件”。
携带同一种氨基酸、但反密码子不同的tRNA可以组成不同的同受体tRNA（isoacceptor）；即使反密码子完全相同，其余序列仍可能不同，这些成员又被称为同解码体（isodecoder）。哺乳动物中大约存在300种不同的tRNA isodecoder。
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如果某一种tRNA减少了，而其他tRNA没有变化，会不会让某些特定密码子的翻译效率发生改变？ |
研究人员首先利用多重小RNA测序（multiplex small RNA sequencing, MSR-seq），比较雄激素受体依赖型前列腺腺癌状态与发生谱系可塑性后的细胞。
结果非常集中。
在分析的49个tRNA isoacceptor家族中，只有 tRNAArg(UCU) 在谱系转变过程中显著下降。DESeq2分析得到的log2倍数变化为 −0.338，FDR=2.42×10⁻²⁵。
继续往下拆分后发现，tRNAArg(UCU)家族中有多个isodecoder，但其中只有tRNA1Arg(UCU)出现稳定而显著的降低，log2倍数变化为 −0.336，FDR=1.55×10⁻⁶。
更重要的是，这并不是由于tRNA被大量切割，也不能用探针结合区域的化学修饰变化来解释。
发生改变的是成熟tRNA1Arg(UCU)本身的丰度。
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tRNA1Arg(UCU)减少，是癌细胞改变谱系后的一个“标志”，还是推动谱系改变的原因之一？ 这两种解释的意义完全不同。 |
它不仅跟着癌细胞变化，还能推动癌细胞改变身份
如果只是相关性，很难证明功能。
研究人员因此直接降低tRNA1Arg(UCU)。
在LNCaP和C4-2B前列腺癌细胞中，利用shRNA将tRNA1Arg(UCU)降低约25%～50%后，细胞的分子特征开始发生系统性改变。
首先，AR通路相关基因在RNA和蛋白质水平同步下降。
与此同时，与神经元相关的基因表达程序开始增强。
而且这种变化具有很强的特异性：研究人员降低其他相关tRNA，例如tRNA2Arg(CCG)或tRNA3Arg(UCG)，并没有观察到相同的AR通路改变。
这说明影响细胞状态的并不是简单的“精氨酸tRNA减少”，而是与特定tRNA分子身份有关。
在9种前列腺癌细胞系中，这种关系同样存在。
tRNA1Arg(UCU)水平与AR活性的Pearson相关系数达到 r=0.85，P=0.0034；相反，它与两个神经内分泌相关标志基因ENO2和SCN3A均呈明显负相关，相关系数均约为 r=−0.72。
于是，一个过去看起来只是参与翻译的RNA分子，开始与癌细胞的“谱系身份”联系起来。
少掉25%～50%的tRNA，为什么会影响抗癌药？
这里出现了这项研究最具有临床意味的一步。
恩杂鲁胺（enzalutamide）、阿帕鲁胺（apalutamide）和达罗他胺（darolutamide）都通过抑制AR通路发挥作用。
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但这种治疗存在一个基本前提：肿瘤仍然依赖AR。 |
如果癌细胞通过谱系可塑性逐渐摆脱AR依赖，那么即使药物仍然能够有效抑制AR，癌细胞也可能不再“在乎”这条通路。
研究人员降低tRNA1Arg(UCU)后，LNCaP和C4-2B细胞对上述多种AR通路抑制剂（AR pathway inhibitors, ARPIs）的耐受性显著增强。
换句话说，tRNA1Arg(UCU)减少的不只是一个分子标志，而是伴随着药物依赖关系的重新编程。
动物来源的前列腺类器官（organoid）给出了进一步证据。
当小鼠只保留一份编码相应tRNA的基因拷贝时，tRNA1Arg(UCU)水平降低，类器官对AR通路抑制治疗的耐受性大约增加了3倍。
在小鼠体内，差异也能被观察到。
去势以后，tRNA基因剂量降低的Hi-Myc小鼠中，有25%出现较大的高级别前列腺上皮内瘤变（high-grade prostatic intraepithelial neoplasia, high-grade PIN）；而具有正常基因剂量的小鼠中，这一比例为0%。
这些结果共同说明：降低tRNA1Arg(UCU)，可以推动肿瘤在AR受抑制的环境中更好地生存。
更关键的问题：这种耐药状态还能不能被拉回来？
如果降低tRNA1Arg(UCU)可以推动癌细胞摆脱AR依赖，那么反过来增加它呢？
研究人员在已经发生谱系可塑性的细胞中重新表达tRNA1Arg(UCU)。
结果非常值得注意。
原本在谱系转变过程中降低的AR通路相关基因重新升高；神经内分泌相关特征下降；细胞重新表现出更加明显的AR依赖。
更重要的是，药物敏感性也跟着改变了。
原本对恩杂鲁胺、阿帕鲁胺和达罗他胺耐药的谱系可塑性细胞，在补回tRNA1Arg(UCU)以后，对这些药物重新变得敏感。
研究人员还测试了一种并非通过人工诱导获得耐药的模型——LNCaP-abl细胞。这些细胞经过长期雄激素缺乏环境选择后已经表现出较低的AR活性、较低的tRNA1Arg(UCU)水平和AR靶向治疗耐药。
当研究人员重新提高tRNA1Arg(UCU)表达后，AR通路活性重新增强，对恩杂鲁胺的敏感性也随之提高。
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肿瘤的治疗依赖性，在实验模型中竟然可以通过改变一种tRNA的剂量进行双向调节。 |
同样识别精氨酸，为什么其他tRNA替代不了它？
这也是该研究很有意思的一点。
如果tRNA1Arg(UCU)只是负责运送精氨酸，那么增加其他精氨酸tRNA是否能够补偿它？
答案是否定的。
研究人员分别增加其他tRNAArg(UCU) isodecoder以及具有其他反密码子的精氨酸tRNA，都没有像tRNA1Arg(UCU)那样恢复AR通路。
于是问题进一步缩小：
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重要的可能不是“精氨酸够不够”，而是某些mRNA中的特定精氨酸密码子能否被高效翻译。 |
tRNA1Arg(UCU)主要对应的是AGA密码子。
研究人员因此设计了专门检测AGA翻译效率的报告系统。
在发生谱系可塑性的细胞中，反映AGA翻译受阻的信号相比AR依赖型细胞升高约4倍。重新补充tRNA1Arg(UCU)后，这种翻译异常又回到了接近原来的水平。
随后进行的多聚核糖体RNA测序（polysome RNA-seq）给出了更加系统的证据。
在AR依赖状态下，AGA密码子显著富集于翻译效率较高的mRNA中，FDR=0.0002。
当细胞发生谱系转变后，这种富集消失，FDR=0.62。
重新增加tRNA1Arg(UCU)后，AGA高效翻译再次出现，FDR重新达到0.0002。也就是说，改变一种tRNA的丰度，确实能够改变特定密码子的“可翻译性”。
2193个翻译增强的mRNA，把线索指向了SMARCC2
密码子翻译发生变化之后，究竟哪种蛋白质最重要？
研究人员筛选出在恢复tRNA1Arg(UCU)后翻译水平升高的2193个mRNA。
其中，一个熟悉的染色质调控系统出现了——SWI/SNF染色质重塑复合物（SWI/SNF chromatin-remodelling complex）。
ACTB、BCL7B、BCL7C、SMARCB1和SMARCC2等多个相关转录本的翻译发生变化。
研究随后把重点放到核心亚基SMARCC2。
一个关键现象是：
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在谱系转变过程中，SMARCC2蛋白降低，但SMARCC2 mRNA并没有明显下降。 |
这正符合“问题发生在翻译层面”的预期。
更有说服力的实验来自密码子替换。
研究人员把SMARCC2中的精氨酸AGA密码子替换成同样编码精氨酸的CGC密码子。氨基酸序列没有改变，但翻译所依赖的tRNA发生了变化。
结果，原本对谱系状态敏感的SMARCC2翻译，经过这种同义密码子替换以后，对tRNA1Arg(UCU)变化明显不再敏感。
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具体tRNA → 具体密码子 → 具体蛋白质 |
这项实验非常重要，因为它把因果链从“tRNA与蛋白表达相关”，推进到了上述更具体的层级。
进一步降低SMARCC2后，补充tRNA1Arg(UCU)所恢复的AR通路再次受到抑制，细胞也重新对恩杂鲁胺产生耐受。
于是整条机制开始闭合：tRNA1Arg(UCU)通过支持AGA密码子的高效翻译，维持SMARCC2蛋白水平；SMARCC2参与SWI/SNF染色质调控，从而帮助前列腺癌维持AR依赖型谱系。
那么，谁在控制这条tRNA？
研究继续向上游追踪。
通过ENCODE数据和染色质结合分析，研究人员从多个候选DNA结合蛋白中锁定了TARDBP和ZSCAN29。
降低TARDBP或ZSCAN29，都能显著降低tRNA1Arg(UCU)表达。
在tRNA1Arg(UCU)对应的TRR-TCT1-1基因座上，发生谱系转变以后，TARDBP结合水平显著降低，log2FC=−4.811，FDR=0.006；ZSCAN29结合水平同样下降，log2FC=−3.858，FDR=0.015。
这个基因座还具有较高的H3K4me3活性染色质标志。随着谱系转变，H3K4me3以及RNA聚合酶III（RNA polymerase III）的占据均选择性下降。
有趣的是，这种变化没有普遍发生在所有类似tRNA基因上。
也就是说，细胞并不是简单地“整体降低tRNA合成”，而是在对某一个具体tRNA基因座进行选择性调控。这使得癌症中的tRNA调控比传统理解更具特异性。
在患者肿瘤中，这条机制留下了同样的痕迹
细胞和动物模型的结果很完整，但临床样本是否存在同样趋势，是决定研究意义的重要一步。
研究人员分析了华盛顿大学快速尸检队列中56例前列腺癌患者的组织。
结果显示，AR阳性肿瘤中的tRNA1Arg(UCU)水平明显高于具有神经内分泌特征的肿瘤。
在患者组织中，tRNA1Arg(UCU)与AR活性呈正相关，Spearman r=0.37，P=0.018；与神经内分泌标志基因ELAVL4则呈负相关，r=−0.36，P=0.019。
更值得关注的是疾病进程。
在具有相应临床随访数据的患者中，tRNA1Arg(UCU)越低，与多项不良结局之间都存在关联：
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从确诊到首次骨转移的时间更短，r=0.34，P=0.045； 从开始雄激素剥夺治疗（androgen deprivation therapy, ADT）到死亡的时间更短，r=0.36，P=0.033； 从出现雄激素非依赖状态到死亡的时间更短，r=0.44，P=0.011； 总生存期也更短，r=0.38，P=0.023。 |
在另一项小鼠体内转移实验中，降低tRNA1Arg(UCU)使转移负荷增加约4倍。因此，这条通路似乎不仅与治疗依赖性有关，也与肿瘤侵袭和转移表型存在联系。
这项研究改变的，是我们理解“密码子”的方式
过去谈论癌症分子机制，我们往往从DNA突变开始，然后进入转录因子、染色质和mRNA表达。
但两个肿瘤即使拥有相似的mRNA表达量，也不意味着它们一定能够产生相同数量的蛋白质。
因为在mRNA与蛋白质之间，还有一层巨大的调控空间：翻译。
这项研究进一步指出，即使一个蛋白质的氨基酸序列完全相同，使用不同的同义密码子，也可能让它对不同tRNA池产生不同依赖。
AGA和CGC都编码精氨酸。
从经典遗传密码表来看，它们似乎“等价”。
但在这项研究的前列腺癌模型中，它们并不完全等价。
当tRNA1Arg(UCU)下降时，富含AGA密码子的蛋白质可能更容易受到影响；而其中如果恰好包含控制细胞谱系状态的关键蛋白，后果就可能从一个微小的翻译效率差异，逐渐放大成细胞身份变化和治疗耐药。
这让“同义密码子（synonymous codon）”这个概念值得重新审视。
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遗传密码决定的不只是蛋白质“是什么”，密码子的选择与tRNA供应还可能影响蛋白质“能产生多少”。 |
从一个漂亮的机制，到临床应用，还有几步不能跳过
这项研究提供了从上游转录调控、tRNA、密码子翻译、染色质重塑到治疗耐药的多层因果证据，但有几个问题仍然需要区分。
首先，患者中的结果主要来自回顾性队列。低tRNA1Arg(UCU)与更快骨转移和更差生存相关，并不等同于已经证明它可以作为临床预测ARPI疗效的生物标志物。论文也明确指出，未来仍需要前瞻性研究验证这一用途。
其次，目前并不知道是什么上游信号最初导致TARDBP和ZSCAN29下降。研究提出Notch信号可能参与其中，但目前仍属于候选机制，而不是已经完全建立的因果链。
第三，“补充tRNA可以恢复药物敏感性”目前主要建立在细胞、类器官和小鼠模型中。研究讨论了利用腺相关病毒（adeno-associated virus, AAV）或脂质纳米颗粒等方式递送tRNA的可能性，但这与在前列腺癌患者中实现安全、肿瘤特异并可控的tRNA治疗之间，仍有明显距离。
因此，该研究最值得关注的意义，可能暂时不是“发现了一种可以马上进入临床的新药”。
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当癌细胞发生耐药时，我们是否应该同时观察它正在表达哪些基因，以及它正在用怎样的tRNA池去翻译这些基因？ |
如果答案是肯定的，那么未来研究肿瘤耐药时，基因组（genome）、转录组（transcriptome）和表观基因组之外，tRNA组与密码子层面的翻译调控可能成为一个越来越重要的维度。
一条只有几十个核苷酸的tRNA，未必只是蛋白质合成流水线中的一个配件。
在特定肿瘤状态下，它可能参与决定癌细胞依赖哪条生存通路、能否转换谱系，以及一款药物是否还能发挥作用。
而这或许正是这项研究最值得继续关注的地方。
参考文献
