RNA và microprotein không mã hóa dài có thể châm ngòi cho bệnh ung thư — hoặc đôi khi làm giảm nó

Một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Münster vào đầu những năm 2000, Sven Diederichs sẽ đạp xe ba km mỗi sáng đến một phòng thí nghiệm nhỏ gọn trong một tòa nhà gạch trong khuôn viên bệnh viện. Ở đó, anh ấy sẽ rã đông các lọ nhỏ mẫu bệnh phẩm ung thư phổi từ tủ đông sâu của phòng thí nghiệm và trích xuất một microgam RNA duy nhất từ mỗi ống. Một số mẫu vật đến từ những người mà ung thư cuối cùng đã di căn, và một số là từ những người mà ung thư không bao giờ lây lan. Diederichs đã tổng hợp các mẫu RNA từ mỗi nhóm và phân tích sự khác biệt trong biểu hiện gen giữa hai nhóm.

Một gen nhanh chóng nổi bật vì RNA của nó dồi dào gấp ba lần trong các mẫu khối u di căn cuối cùng so với các mẫu không di căn. Diederichs, đồng nghiệp của ông postdoc Ping Ji, và các đồng nghiệp của họ đã đặt tên cho bản sao RNA này, dài hơn 8,000 nucleotide, MALAT-1 (di căn liên quan đến bảng điểm ung thư biểu mô tuyến phổi 1, cũng được viết tắt là MALAT1). Biểu hiện cao của RNA dự đoán tiên lượng xấu, nhóm nghiên cứu tìm thấy. Tuy nhiên, Diederichs lưu ý, "chúng tôi không tìm thấy một khung đọc mở đáng chú ý và chúng tôi không tìm thấy bất kỳ protein nào được thể hiện từ nó. Chúng tôi quyết định rằng nó phải là một cái gì đó không mã hóa.

Cộng đồng khoa học đã chống lại ý tưởng rằng một RNA không mã hóa dài (lncRNA) có liên quan đến việc tăng di căn ung thư, Diederichs nói. Sách giáo khoa sinh học từ lâu đã rao giảng về tính ưu việt của protein, với RNA là trung gian giữa mã và sản phẩm cuối cùng, và các nhà khoa học coi hầu hết các RNA không mã hóa là rác vô dụng, ông giải thích. "Không nhiều người tin rằng các RNA không mã hóa dài sẽ làm được điều gì đó. Chúng vẫn được gọi là tiếng ồn phiên âm. Chúng tôi đã có nhận xét của người đánh giá rằng, 'Nếu nó không mã hóa cho protein, nó sẽ không làm được gì cả. Vậy tại sao chúng ta phải quan tâm?'"

Diederichs nói rằng phải mất nhiều lần thử trước khi nghiên cứu của ông được chấp nhận xuất bản ở Oncogene, nơi nó xuất hiện vào năm 2003. Khoảng hai thập kỷ sau, bài báo đó đã được trích dẫn bởi hơn 1,500 người khác, và rõ ràng là nhóm đã làm gì đó.

Thật vậy, những tiến bộ trong công nghệ đã tiết lộ rằng phần lớn bộ gen không mã hóa làm phát sinh lncRNA và các phân tử RNA khác ảnh hưởng đến tất cả các cách thức của quá trình tế bào. Diederichs nói: "Phần lớn bộ gen người được phiên mã thành RNA, từ 70 đến 90 phần trăm. " Và tính đến năm 2022, hơn 100,000 lncRNA của con người đã được phát hiện. Mặc dù không ai biết có bao nhiêu trong số này có chức năng, nhưng ít nhất 30 và có lẽ hơn 100 người có mối liên hệ chặt chẽ với ung thư, trong khi những người khác liên quan đến các tình trạng như tâm thần phân liệt hoặc bệnh tim, cũng như với các chức năng sinh lý bình thường, chẳng hạn như tăng trưởng tế bào và trao đổi chất.

Làm thế nào các lncRNA này phát huy ảnh hưởng của chúng trong nhiều trường hợp vẫn còn là một câu hỏi mở, nhưng các nhà khoa học đã bắt đầu phát hiện ra các cơ chế xác nhận rằng các phân tử RNA tương tác với DNA, RNA khác và protein, điều chỉnh sự tăng sinh, ức chế tăng trưởng, hình thành mạch và sự bất tử của tế bào. Ngoài ra, một số lncRNA có mục đích có thể không mã hóa sau tất cả: Ẩn trong nhiều mã sống cho các peptide được gọi là microprotein đang được chứng minh là có chức năng sinh lý mạnh mẽ cũng như vai trò quan trọng trong sự phát triển và tiến triển của ung thư.

RNA không mã hóa có thể có nhiều chức năng khác nhau

Bước đột phá đầu tiên của nhà di truyền học Howard Chang vào lncRNA diễn ra ngay sau khi ông bắt đầu phòng thí nghiệm của mình tại Đại học Stanford vào giữa những năm 2000. Ông quyết định rằng, thay vì nhìn vào 2% bộ gen người mã hóa protein, ông sẽ tập trung vào các yếu tố không mã hóa. Ông nhớ lại: "Chúng tôi đã lai các mẫu RNA thành các mảng và thật ngạc nhiên, ngoài các chuỗi mã hóa mRNA đã biết, chúng tôi cũng nhận được tất cả các loại tín hiệu. "Vì vậy, hoặc chúng tôi đã có một số loại [nhiễu] nền khủng khiếp trong công nghệ mảng của mình, hoặc chúng tôi có tất cả các RNA mới này mà chúng tôi nên cố gắng tìm ra cách mô tả." (Chang đã giúp thành lập và tư vấn cho một số công ty làm việc về liệu pháp RNA, mặc dù anh ấy không trực tiếp tham gia vào thương mại hóa lncRNA.)

RNA không mã hóa (ncRNA) được định nghĩa là RNA không chứa bất kỳ khung đọc mở nào lớn hơn 300 nucleotide (đủ để mã hóa cho 100 axit amin). Các nhà nghiên cứu từng cho rằng "các protein nhỏ hơn 100 axit amin có khả năng không hoạt động", nhà di truyền học Jin Chen của Altos Labs, một công ty công nghệ sinh học có trụ sở tại California và Vương quốc Anh tập trung vào lập trình trẻ hóa tế bào, giải thích. Định nghĩa về ncRNA này nhằm mục đích thu thập bất kỳ RNA nào không mã hóa protein chức năng. Bất kỳ ncRNA nào dài hơn 200 nucleotide đều được mệnh danh là RNA không mã hóa dài.

Chúng tôi đã có nhận xét của người đánh giá rằng, 'Nếu nó không mã hóa cho protein, nó sẽ không làm được gì cả. Vậy tại sao chúng ta nên quan tâm?

—Sven Diederichs, Đại học Heidelberg

Khi Chang và những người khác chuyển sự chú ý của họ sang các phân tử này vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000, các ví dụ về chức năng sinh lý của lncRNA bắt đầu tích lũy. Một ví dụ ban đầu nổi tiếng là Xist (Bảng điểm cụ thể không hoạt động X). Các nhà nghiên cứu ban đầu nghĩ rằng nó đến từ một gen mã hóa protein, nhưng protein hóa ra là một cổ vật. Thay vào đó, bản sao RNA tự phủ lên và làm bất hoạt một trong hai nhiễm sắc thể X trong phôi nữ. Jeannie Lee, một nhà di truyền học tại Trường Y Harvard, người tư vấn cho công ty dược phẩm nhắm mục tiêu RNA Skyhawk Therapeutics, lưu ý tầm quan trọng của cấu trúc RNA đối với chức năng của nó. "Đó là một RNA rất lớn; mỗi phần của RNA sẽ tuyển dụng một cụm protein khác nhau. Vì vậy, toàn bộ RNA thực sự được bọc trong một hạt lớn bao gồm có thể 100 protein trở lên. Các giàn giáo phiên mã cả một họ protein sẽ được yêu cầu để làm im lặng nhiễm sắc thể X.

John Mattick, một nhà sinh vật học phân tử tại Đại học New South Wales ở Úc, người đã làm việc về lncRNA từ năm 2000 và nằm trong ban cố vấn khoa học của các công ty trị liệu RNA NextRNA Therapeutics có trụ sở tại Hoa Kỳ và liệu pháp điện tử có trụ sở tại Vương quốc Anh, nói rằng tính năng này phổ biến trong lncRNA. Các RNA này có thể có cấu trúc thứ cấp phức tạp chứa cả "một chuỗi sẽ nhắm mục tiêu một vị trí trong DNA, nhưng cũng có một chuỗi khác liên kết protein đưa nó đến vị trí đó", ông nói.

Sau khi phát hiện ra MALAT1 có liên quan đến di căn, Diederichs muốn biết liệu RNA có đóng vai trò chức năng trong bệnh hay không, hay nó chỉ là dấu hiệu cho thấy sự lây lan của ung thư. Ông bắt đầu phòng thí nghiệm của riêng mình tại Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Đức và tại Đại học Heidelberg, và bắt đầu xác định những gì MALAT1 đang làm trong cơ thể. Nhóm của ông bắt đầu bằng cách bịt miệng gen trong tế bào khối u phổi của con người và có manh mối đầu tiên. "Có thời điểm này khi chúng tôi lần đầu tiên thấy rằng các tế bào thiếu MALAT1 đã không di chuyển," ông nói. "Đó là thời điểm mà tôi tin rằng điều này có liên quan đến chức năng." Nhóm nghiên cứu sau đó phát hiện ra rằng MALAT1 điều chỉnh sự biểu hiện của một tập hợp các gen liên quan đến di căn, và các nghiên cứu sau đó cho thấy RNA định vị thành các cấu trúc tế bào được gọi là đốm hạt nhân.

Nhiều nhóm khác đã làm theo, tìm thấy nhiều lncRNA có mức độ biểu hiện tương quan với các đặc điểm của các bệnh ung thư khác nhau. Chang, ví dụ, phát hiện ra rằng một lncRNA mà nhóm của anh ấy đặt tên là HOTAIR (RNA liên gen kháng HIV) là một giàn giáo nhận ra các mục tiêu khác nhau và làm im lặng các gen Hox liên quan đến mô hình cơ thể. Ông và các nhóm khác đã xác định HOTAIR là một phân tử gây ung thư ảnh hưởng đến sự tăng sinh, quá trình apoptosis, xâm lấn, xâm lược và di căn của các tế bào. LncRNA buộc hai protein — phức hợp ức chế polycomb 2 (PRC2) ở một trong các đầu của nó và demethylase đặc hiệu lysine 1 (LSD1) ở đầu kia — ức chế sự biểu hiện của khối u và gen ức chế di căn, trong số những người khác. HOTAIR cho đến nay có liên quan đến phổi, vú, tuyến tụy và các bệnh ung thư khác.

Diederichs nói: "Thực sự có hàng trăm bài báo mỗi năm ra mắt với các RNA không mã hóa dài mới. " "Một số rất đặc trưng cho bệnh ung thư. . . một số có cơ chế, một số không có cơ chế. Vì vậy, nó thực sự là một khu rừng ngoài kia của các RNA không mã hóa dài ngày nay.

Một số lncRNA hoàn toàn không mã hóa

Một vài năm trước, ý tưởng rằng có lẽ nhiều lncRNA này thực sự mã hóa protein — và ngưỡng tùy ý của 100 axit amin để xác định protein là sai — bắt đầu ầm ầm trong cộng đồng nghiên cứu. Chỉ riêng năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã xuất bản ba bài báo đánh giá lớn về các microprotein thu được, ca ngợi những bí ẩn của proteome tối này. "Gần đây, chúng tôi phát hiện ra rằng rất nhiều cái gọi là RNA không mã hóa dài này không thực sự không mã hóa; họ có thể mã hóa các microprotein nhỏ này và những microprotein nhỏ này thực sự đóng một vai trò rất đa dạng, "Chen nói. "Bởi vì [của] sự giám sát và giả định ban đầu này, có toàn bộ proteome này về cơ bản bị thiếu" từ kiến thức khoa học.

Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng các protein nhỏ, chức năng tồn tại, nhưng chúng được cho là luôn được xử lý từ các protein lớn hơn, chẳng hạn như trường hợp của hormone peptide và neuropeptide. Ví dụ, insulin chỉ dài 51 axit, nhưng nó được tách ra từ chuỗi polypeptide proinsulin dài hơn (được tách ra từ preproinsulin thậm chí còn dài hơn). Mặt khác, microprotein được sinh ra nhỏ — chúng được dịch trực tiếp từ các khung đọc mở ngắn (sORF) đã bị bỏ qua do ngưỡng 100-amino-acid.

Để khám phá các vi protein trước đây bị bỏ qua này trong bộ gen người rộng lớn, các nghiên cứu thăm dò sử dụng các phương pháp tính toán để tìm kiếm DNA cho các chuỗi được bảo tồn tiến hóa với ít hoặc không có đột biến nào có thể thay đổi axit amin được mã hóa — một tính năng cho thấy rằng trình tự được bảo tồn đại diện cho một protein thực sự. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng hồ sơ ribosome, trong đó RNA được dịch tích cực bởi ribosome được chiết xuất và giải trình tự, cũng như phép đo phổ khối lượng để định lượng trực tiếp protein thu được. Kết hợp các phương pháp này, các nhà khoa học có thể tự tin đánh giá liệu sORF có thực sự mã hóa cho một microprotein hay không. Thử nghiệm sâu hơn có thể giúp xác định những gì microprotein làm.

Cũng như lncRNA, các nhà nghiên cứu đang khám phá ra vai trò chức năng của các vi protein đối với sức khỏe và bệnh tật. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các peptide hoạt động như các phân tử tín hiệu, chất điều chỉnh enzyme, phối tử cho các thụ thể và các thành phần xuyên màng quan trọng. Và bây giờ, các nhà khoa học đang tìm thấy ngày càng nhiều vi protein dường như gây ra ung thư ở người.

Vào năm 2018, khi Diederichs và sinh viên tốt nghiệp Maria Polycarpou-Schwartz đang tìm kiếm lncRNA và mRNA liên quan đến ung thư vú, nhóm của họ đã tập trung vào một lncRNA được biểu hiện ở mức độ cao hơn sáu lần trong các khối u vú so với mô bình thường. Quét cơ sở dữ liệu trình tự protein cho khu vực, các nhà nghiên cứu thấy rằng lncRNA chứa một sORF được bảo tồn cao ở chuột và chuột. Ở người, nó dường như được dịch thành một protein nhỏ gồm 83 axit amin. Đánh sập gen, được đặt tên là CASIMO1 (ORF màng tích hợp nhỏ liên quan đến ung thư), trong các tế bào ung thư vú ở người được nuôi cấy đã gây ra sự bãi bỏ tế bào actin, do đó các tế bào không thể di chuyển và ít có khả năng sinh sôi nảy nở. Sự hạ gục cũng cho thấy một vai trò đối với vi protein CASIMO1 trong sự tiến triển chu kỳ tế bào.

Diederichs nói: "Trong một thời gian dài, chúng tôi nghĩ rằng nó không mã hóa vì nhiều chương trình dự đoán đã nói với chúng tôi như vậy và khung đọc mở thực sự ngắn, v.v. " Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi cuối cùng phát hiện ra rằng "nếu chúng tôi lấy ra codon bắt đầu của ORF dài nhất, chúng tôi đột nhiên mất chức năng."

Diederichs và các đồng nghiệp của ông sau đó đã xác định được 12 protein dường như tương tác với CASIMO1, bao gồm một loại enzyme liên quan đến sinh tổng hợp cholesterol được gọi là squalene epoxidase (SQLE), cũng là chất gây ung thư. Công trình của họ cho thấy rằng CASIMO1 biểu hiện quá mức trong các tế bào ung thư vú được nuôi cấy dẫn đến tăng mức protein SQLE, trong khi CASIMO1 hạ gục dẫn đến giảm SQLE. CASIMO1 knockdown cũng làm giảm mức độ kinase điều chỉnh tín hiệu ngoại bào hoạt động, một phần của con đường tăng sinh tế bào MAPK thường liên quan đến ung thư. Công trình này, được xuất bản vào năm 2018, đã trao vương miện CASIMO1 là vi protein đầu tiên được phát hiện có hoạt tính gây ung thư.

Những khám phá về các vi protein gây ung thư bổ sung theo sau. Ví dụ, năm ngoái, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã phát hiện ra rằng một lncRNA thể hiện cao trong một số khối u vú kháng hóa trị liệu mã hóa một micropeptide dài 44 amino-acid, mà họ đặt tên là PACMP (micropeptide khuếch đại PAR và duy trì CtlP). PACMP điều chỉnh phản ứng tổn thương DNA, do đó điều chỉnh sự tiến triển của ung thư và kháng thuốc. Làm cạn kiệt peptide trong các tế bào nuôi cấy làm giảm sự phát triển của khối u và các tế bào khối u nhạy cảm với một số hóa trị liệu.

lncRNA và microprotein trong ung thư

Một số RNA và microprotein không mã hóa từ lâu đã có liên quan đến ung thư. Trong khi một số dường như kích thích sự phát triển của bệnh tật, những người khác vẫn kiểm soát được sự tiến triển của bệnh ung thư. Một lựa chọn được mô tả dưới đây.

Khi microprotein hãm lại ung thư

Một số microprotein làm chậm sự tiến triển của ung thư. Vào năm 2017, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một lncRNA được gọi là HOXB-AS3 mã hóa một peptide axit amin 53 được bảo tồn để ngăn chặn sự phát triển của ung thư ruột kết. Nó hoạt động thông qua enzyme pyruvate kinase M (PKM), có hai dạng đồng phân. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi có micropeptide HOXB-AS3, nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nối isoform đầu tiên, PKM1, hỗ trợ chuyển hóa và tăng trưởng tế bào bình thường. Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra rằng khi không có HOXB-AS3, các tế bào tạo ra PKM2, kích hoạt glycolysis hiếu khí, cho phép sự tăng sinh nhanh chóng của các tế bào ung thư. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sản xuất PKM2 mang lại lợi thế chọn lọc cho các tế bào khối u và được thấy ở hầu hết các bệnh ung thư. Bằng cách kiểm tra các mô từ bệnh nhân ung thư ruột kết, các nhà khoa học thấy rằng những người có nồng độ HOXB-AS3 thấp bị ung thư tiến triển hơn và tiên lượng kém hơn.

Các vi protein ngăn chặn ung thư tương tự đã được tìm thấy trong ung thư vú. Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều hòa một loại vi protein có tên CIP2A-BP có liên quan đến việc tăng di căn và giảm khả năng sống sót ở những bệnh nhân bị ung thư vú ba lần âm tính. Trong một mô hình chuột của bệnh ung thư vú, tiêm microprotein làm giảm di căn phổi và cải thiện khả năng sống sót. Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng CIP2A-BP liên kết với khối u oncogene CIP2A để ức chế sự di chuyển và xâm lấn của các tế bào ung thư vú thông qua con đường PI3K / AKT / NFkB.

Cùng năm đó, một nhóm các nhà nghiên cứu khác nghiên cứu các vi protein từ các RNA không mã hóa khác nhau đã phát hiện ra một vi protein mà họ gọi là MIAC (micropeptide ức chế tế bào actin) trong ung thư biểu mô tế bào vảy đầu và cổ. Nghiên cứu của họ cho thấy rằng khi mức MIAC thấp, tỷ lệ sống sót có xu hướng kém ở những bệnh nhân mắc các bệnh ung thư này. Nhóm nghiên cứu đã phân tích thêm trình tự RNA của 9,657 mô người khác, bao gồm 32 bệnh ung thư khác nhau và phát hiện ra rằng MIAC có liên quan đến sự tiến triển của năm loại khối u khác. Đi sâu hơn vào các cơ chế có thể, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng MIAC tương tác với aquaporin 2, một loại protein thường hoạt động trong thận. Sự tương tác này ức chế cytoskeleton actin và cuối cùng ngăn chặn sự phát triển và di căn của khối u. "MIAC. . . biểu hiện khác biệt có liên quan đáng kể đến tiên lượng của bệnh nhân và tình trạng khối u", trưởng nhóm điều tra Hanmei Xu tại Đại học Dược phẩm Trung Quốc ở Nam Kinh cho biết. "Vì vậy, khả năng ứng dụng [của nó] trong chẩn đoán và điều trị ung thư [đáng để] khám phá."

Mặc dù lĩnh vực này còn non trẻ, nhưng danh sách các vi protein liên quan đến ung thư cứ lặp đi lặp lại. "Những vi protein này rất quan trọng. . ." Có khả năng có hàng chục nghìn người trong số họ, "Chen nói, mặc dù không phải tất cả đều có khả năng liên quan đến ung thư. Nhiều câu hỏi mở vẫn còn. Ví dụ, không rõ có bao nhiêu là ổn định và chức năng. "Có rất nhiều ẩn số. Tôi nghĩ rằng đó là một lĩnh vực rất thú vị để tham gia vào lúc này, "Xu đồng ý. "Khám phá micropeptide có một tương lai tuyệt vời," cô nói. "Theo các nghiên cứu gần đây của omics, nhiều microprotein chưa được đặc trưng. [Bộ gen] chứa một lượng lớn kho báu chưa được khám phá."

Lĩnh vực này cũng đã tiết lộ mức độ phức tạp mới. Ví dụ, như Diederichs chỉ ra, một số lncRNA đều có chức năng riêng và đóng vai trò là công thức nấu ăn cho microprotein. Vào năm 2013, các nhà nghiên cứu đã báo cáo về một lncRNA được gọi là Pint được điều chỉnh bởi protein ức chế khối u p53 và khuyến khích sự tăng sinh và tồn tại của tế bào. Vào năm 2018, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng lncRNA này, ở dạng tròn, chứa một ORF mã hóa một microprotein axit amin 87 được gọi là PINT87aa, giúp giảm sự hình thành khối u trong các dòng tế bào u nguyên bào thần kinh đệm trong ống nghiệm và in vivo. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng những con chuột được tiêm các tế bào tế bào hình sao dị sản thiếu các bản sao chức năng của vi protein đã phát triển các khối u lớn hơn so với động vật được tiêm tế bào tế bào hình sao chưa biến đổi.

Diederichs nói: "Tôi nghĩ nó ít quan trọng hơn cho dù đó là mã hóa hay không mã hóa. " "Thật vậy, niềm tin vững chắc của tôi là nhiều bảng điểm mà chúng tôi đang xem xét sẽ có chức năng mã hóa cũng như các chức năng không mã hóa."

Rachael Moeller Gorman

Mar 1, 2023.

Rachael Moeller Gorman

 

 

---

 

Mar 1, 2023

Rachael Moeller Gorman

 

 

---

 

Mar 1, 2023

Rachael Moeller Gorman

 

 

---

 

Mar 1, 2023 | 10+ min read