導讀

        前列腺癌是第二大常見的男性惡性腫瘤，僅次於肺癌。轉移性去勢抵抗性前列腺癌(mCRPC)是前列腺癌的終末期，其對激素治療有抗性，並具有轉移能力，是造成患者死亡的主要原因。目前，人們對編碼序列(CDS)突變、mRNA表達變化和基因組結構變異如何影響前列腺癌已有了解，但這些發現並不能全麵解釋疾病發病機製，致癌基因表達的轉錄後水平上還有許多地方有待探索。

        3 '非翻譯區(3' UTR)體細胞突變是了解癌症中異常基因調控的一個途徑，但目前尚未被充分探索。3' UTR緊鄰CDS下遊的區域，其隨基因轉錄但不翻譯，該區域是mRNA穩定性和翻譯的主要介質，通過基於序列和結構的元件富集反式作用因子。已有研究表明3' UTR可能是癌症基因失調的重要樞紐，但3' UTR突變如何影響癌症的轉錄後動態變化仍不清楚。

        近期，美國華盛頓大學的研究人員在期刊Cell Reports上發表了題為“Multi-level functional genomics reveals molecular and cellular oncogenicity of patient-based 3' untranslated region mutations”的文章。研究團隊在185個mCRPC患者中鑒定了3' UTR體細胞突變，發現了14,497個富含致癌通路和3' UTR調控元件的單核苷酸突變。通過兩種互補的大規模並行報告基因分析(MPRA)方法，檢測了數千個基於患者(patient-based)的突變，並發現影響mRNA翻譯或穩定性的致癌3' UTR突變與更快進展為晚期疾病相關。

        為研究3' UTR突變如何影響前列腺癌轉錄後基因表達，研究團隊首先構建了一個以UTR為中心的測序數據庫，包括185個mCRPC腫瘤的全基因組測序(WGS)或UTR測序數據(圖1)。通過4個突變調用器來調用高置信度體細胞突變，最終共保留7,647個基因的14,497個3' UTR體細胞單核苷酸突變。研究團隊還分析了上述3 ' UTR突變的穩健性，發現其遵循前列腺癌的預期模式，顯示出強烈的C→T/G→A過渡突變的傾向。

        研究團隊觀察到3' UTR突變在癌症相關基因集和通路中的顯著富集，表明這些突變可能是異常致癌表達的重要來源。進一步，研究團隊確定了幾個具有高度3' UTR突變的癌症相關基因，其中，FLRT2和LPP中3' UTR突變負荷最高。LPP在調節轉移和耐藥性方麵發揮作用，FLRT2在多種癌症中被認為具有抑製腫瘤的作用。

        除分析3' UTR突變靶向的基因之外，研究團隊還表征了單個3' UTR序列的突變模式，觀察到突變沿3' UTR的長度均勻分布，並未在CDS或poly-A尾部附近富集。接下來，研究團隊使用FishHook進行了顯著性分析，發現隊列中有兩個3' UTR(CCL11和ZNF492)的突變頻率高於預期。特別地，一種與肺癌和卵巢癌相關的趨化因子CCL11，在7名患者的12nt內存在4個3' UTR突變。上述結果表明，該研究確定了晚期前列腺癌腫瘤中3 ' UTR突變的情況，並揭示了癌症相關基因和順式調控元件中大量潛在的有趣突變。

        為從功能上評估患者突變影響轉錄後基因調控的效果，研究團隊開發了基於多聚核糖體分析的MPRA，能夠同時檢測數千個突變如何改變翻譯效率(TE)(圖2)。結果顯示，有180個3' UTR點突變顯著改變了TE，動態範圍超過1000倍。此外，計算TE的兩種方法(使用總多聚核糖體相關mRNA或高多聚核糖體相關mRNA)的結果一致，總多聚核糖體顯示出更大的功能突變庫。

        研究團隊發現許多功能性3 ' UTR突變引起了看似致癌性的表達變化，或是增加致癌mRNA的TE，或是減少腫瘤抑製基因的TE。有趣的是，神經元基因的功能突變表現出富集，表明神經內分泌相關途徑的失調，癌症相關基因集也出現了明顯的富集，包括p53、Wnt等。上述結果表明3 ' UTR突變可造成多種致癌通路失調。

        為確定上述3' UTR突變如何在分子水平上影響TE，研究團隊分析了其是否改變了已知的調控序列(圖2E)。結果顯示，超75%的功能突變改變了RNA結合蛋白(RBP)和miRNA結合基序。具體來說，大多數突變發生在RBP結合位點，特別是結合富含AU和U基序的位點，包括hnRNPCL1、PUF60、RBM6和RC3H158。綜上，MPRA揭示了患者來源的3 ' UTR突變對mRNA翻譯的影響，並確定了這些突變通過改變序列元件來調節致癌表達的廣泛重要性。

        除了TE之外，3' UTR也是mRNA穩定性的重要介質。為確定mCRPC患者突變如何影響mRNA降解，研究團隊使用體外轉錄(IVT)mRNA的RNA測序(RNA-seq)設計並實施了第二個互補性MPRA，並使用單獨的雙熒光素酶報告基因檢測從外部驗證了幾個MPRA的結果(圖3)，發現了預期的蛋白質表達變化。具體而言，研究團隊發現150個基於患者的3' UTR突變顯著改變了mRNA穩定性，其中許多是已知的癌基因。

        值得注意的是，影響mRNA穩定性的功能突變在神經元基因中豐富，結合先前的研究結果，這表明3 ' UTR突變可能是晚期前列腺癌中神經內分泌特征失調的另一種方式。此外，與影響TE的突變相同，大多數影響mRNA穩定性的3' UTR突變都會改變已知的RBP結合序列，特別是富含AU和U基序的序列，這表明許多RBP對mRNA翻譯和穩定性具有雙重影響。

        3' UTR突變已被發現可增加致癌表達和細胞生長，為了解這些突變如何影響患者預後，研究團隊進行了深入分析(圖4)。結果顯示，與沒有這些突變的腫瘤相比，攜帶任何致癌3' UTR突變的患者腫瘤進展為雄激素非依賴性(AI)的速度顯著更快;這些患者發生骨轉移的時間和總生存期也較短。

        有趣的是，具有基於翻譯的致癌3' UTR突變的患者表型較溫和，顯示出較出現AI的強烈趨勢，但總生存期或轉移沒有變化。但基於穩定性的致癌3' UTR突變對患者預後有較大影響，攜帶該突變的患者預後顯著較差。此外，與沒有致癌3’UTR突變的患者相比，含有影響翻譯或穩定性的致癌3’UTR突變的患者在進展時PSA(前列腺特異性抗原)水平更高，中位生存時間更短。

        綜上，該研究全麵分析了疾病相關3' UTR突變對mRNA穩定性、翻譯和癌症進展的影響程度，擴大了功能性癌症基因組學的界限，並有可能揭示先前未探索的調控區域的調控功能原理和潛在的治療靶點。

        文章作者、前列腺癌專家Andrew Hsieh醫學博士表示：“這是有史以來第一次證明3' UTR中基於患者的突變可能會導致耐藥性。當前列腺癌患者的腫瘤中出現這些突變時，腫瘤會更快地對激素阻斷治療產生耐藥性，更快地在體內擴散，並且生存時間更短。”

        參考文獻;

        chuster, S. L., Arora, S., Wladyka, C. L., Itagi, P., Corey, L., Young, D., ... & Hsieh, A. C. (2023). Multi-level functional genomics reveals molecular and cellular oncogenicity of patient-based 3′ untranslated region mutations.Cell Reports.

        https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)00851-3