全 文 ：第26卷 第7期
2014年7月
Vol. 26, No. 7
Jul., 2014
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2014)07-0745-06
DOI: 10.13376/j.cbls/2014104
收稿日期：2014-07-02
基金项目：国家自然科学基金重点项目 (31130064)
*通信作者：E-mail: edwang@sibcb.ac.cn(王恩多);
xlzhou@sibcb.ac.cn(周小龙)
tRNA来源的小片段RNA——新的基因表达调控因子
方志鹏1,2，周小龙1*，王恩多1,3*
(1 中国科学院上海生命科学研究院，生物化学与细胞生物学研究所，分子生物学国家重点
实验室，上海 200031；2 中国科学院大学，北京 100049；3 上海科技大学，上海 200031)
摘　要：转移核糖核酸 (tRNA)是蛋白质合成的关键接头分子，特异性识别信使 RNA (mRNA)的密码子信息，
将其接载的氨基酸基团掺入到新生多肽链中。最新研究表明，在很多物种中，在某些特定情况下，tRNA
或其前体被特异性剪切产生 tRNA来源的小片段 RNA (tRNA-derived fragment, tRF)。这类 tRF是一类新的
基因表达调控因子，其发挥作用的机制多样，如某些 tRF以 microRNA方式抑制 mRNA翻译；某些 tRF作
为逆转录病毒 RNA基因组的逆转录引物；而某些 tRF参与了前体 rRNA剪切复合物的组装。此外，细胞受
胁迫产生的带有多聚鸟苷酸模块的 tRF则会竞争性抑制延伸因子 elF4G与 mRNA的结合，从而抑制蛋白质
翻译。随着研究的继续深入，对 tRF的发生发展、作用机制以及在疾病中的潜在作用将会进一步丰富。拟
从 tRF作为新的基因表达调控分子的角度，简要介绍 tRF发挥作用的分子机制。
关键词： tRNA；tRNA来源的小片段 RNA；基因表达；调控
中图分类号：Q522+.1；Q74 文献标志码：A
tRNA-derived fragments: the new regulators of gene expression
FANG Zhi-Peng1,2, ZHOU Xiao-Long1*, WANG En-Duo1,3,*
(1 State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes
for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031,China; 2 University of
Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China; 3 ShanghaiTech University, Shanghai 200031, China)
Abstract: Transfer RNAs (tRNAs) are the key adaptors that specifically recognize the codon on the mRNA and
transfer their charged amino acids into newly synthesized peptide during protein translation. Recent studies have
shown that the tRNA fragments (tRFs), which are derived from specific cleavage of tRNA, are present in many
species under some specific conditions. tRFs are a class of new regulators of gene expression, which function in
many ways. Some tRFs function in the microRNA-like way to inhibit the protein translation; while some tRFs serve
as the primers of reverse transcription of the viral RNA genome. Other tRFs are members of a nucleoprotein
complex which specifically cleaves pre-rRNA. Moreover, the stress-induced tRFs from the 5 terminus of tRNA
with specific terminal oligo-guanine motif are able to obviously inhibit the protein translation by interfering with
interaction between elF4G and mRNA. The continuous investigations will provide us a more detailed understanding
of mechanism of generation, regulation and possible roles of tRFs in specific diseases.
Key words: tRNA; tRF; gene expression; regulation
非编码 RNA (non-coding RNA, ncRNA) 是不具
有翻译为蛋白质能力的 RNA。ncRNA广泛存在于
细胞中，种类繁多，在生物体发挥多种功能 [1]。转
移 RNA (transfer RNA, tRNA)是经典的 ncRNA，负
责将信使 RNA (message RNA, mRNA)上的密码子
信息转化为新生蛋白质上的氨基酸序列信息。而另
一个经典的核糖体 RNA (ribosome RNA, rRNA)则
参与核糖体的组装，并催化蛋白质翻译过程中肽键
生命科学 第26卷746
的形成。此外，ncRNA还包括了主要作用于 mRNA
的 3非翻译区 (3UTR)抑制基因表达的单链微 RNA
(microRNA, miRNA)、通过互补核苷酸序列抑制基
因表达的双链小干扰 RNA (small interfering RNA,
siRNA)、特异性地在生殖细胞中发挥功能的 Piwi
蛋白质相互作用 RNA (Piwi-interacting RNA, piRNA)、
引导其他 RNA进行化学修饰的小核仁 RNA (small
nucleolar RNA, snoRNA)、参与细胞核内前体 mRNA
加工的小核内 RNA (small nuclear RNA, snRNA)、
在基因表达调控过程中发挥着重要作用的长非编码
RNA (long non-coding RNA, lncRNA)以及发挥细胞
间通讯作用的细胞外RNA (extracellular RNA, exRNA)
等。
随着高通量测序 (high throughput sequencing)
与微芯片 (microarray)等技术的发展与应用 [2-3]，人
们在从大肠杆菌到哺乳动物等众多物种中都发现
了一类新的 ncRNA，即 tRNA来源的小片段 RNA
(tRNA-derived fragment, tRF)[4]。成熟的 tRNA具有
三叶草型的二级结构，可分为接收茎臂 (Acceptor
arm)、D环 (D loop)、TψC环 (TψC loop)、反密码
子环 (Anticodon loop)与可变环 (Variable loop)等 (图
1A)。tRF即是在特定的细胞或组织中或者在细胞受
到胁迫等特定条件下，由特定的核酸酶 [如 Dicer、
血管生成素 (angiogenin, ANG)等 ]在 tRNA的环上
剪切，产生的特定大小的小片段 RNA[5-7]。根据 Lee
等 [8]的分类方法，来源于前体 tRNA的 3前导序列
被称为 tRF-1；从成熟形式 tRNA 5端到 D环附近
的 tRF为 tRF-5；而成熟形式 tRNA TψC环附近到 3
端的 tRF 为 tRF-3 ( 图 1B)。此外，在成熟形式
tRNA的反密码子环剪切产生的 tRF被称为 tRNA
半分子 (tRNA halves)。tRNA半分子一般是在胁迫
条件下产生，所以也称为 tiRNA (tRNA-derived stress-
induced fragment) [7]。tRF-5 与 tRF-3 是 由 Dicer 等
核酸内切酶剪切产生的；而 tRNA半分子可由大肠
杆菌中的 Prrc、colicin D和 E5、酵母中的 Rny1p
与哺乳动物细胞中的 ANG等核酸酶剪切产生 [4]。
之前已有研究表明，来源于 tRNA前体的 tRF-1001
能够促进细胞增殖，敲低其表达则会抑制细胞增
殖 [8]。而最新众多的研究表明，tRF在基因表达与
调控等过程中发挥重要的作用。本文将对最新研究
中所发现的一些 tRF的生物学功能进行简要介绍。
1　tRF以miRNA的方式调控靶标基因的表达
是否存在 tRNA来源的 miRNA一直备受争议。
核糖核酸内切酶在 tRNA的 D环或者 TψC环上的
剪切作用产生了大小与 miRNA相近，长度约 20个
核苷酸 (nucleotide, nt)的 tRF。而 miR-1280、miR-
1274a (miR-1274b)和 miR-886-5p等更被发现在序
列上分别与人 tRNALeu的 3端、tRNALys的 3端与
tRNAAla的 5端等一致 (图 2A~C)，由此引发以上
miRNA的前体来源与本体存在的问题，而新版本
的 miRNA数据库——miRbase已将以上 miRNA等
除名 [9-10]。
最近的一些研究表明，以上的 miRNA或者
A：tRNA的三叶草二级结构示意图；B：tRF可分为tRF-1、tRF-3、tRF-5和tRNA半分子(tRNA halves)
图1 tRNA的三叶草结构与tRF的分类
方志鹏，等：tRNA来源的小片段RNA——新的基因表达调控因子第7期 747
tRNA小片段确实能以 miRNA的方式在细胞中发挥
生物学功能 (图 3A)。研究发现，与正常细胞相比，
miR-1280在膀胱癌细胞系 J82、T24和患者肿瘤样
品中的表达量均显著下调；而实验证实 miR-1280
能够抑制原癌基因 ROCK1在 J82、T24细胞系中
的表达 [11]。在 J82或 T24细胞系中异位高表达
miR-1280导致了 G2/M的细胞周期停滞，促进细胞
凋亡，表现出抑癌因子的作用。此外，在人宫颈癌
细胞系 SiHa中 miRNA表达谱筛选表明，miR-886-
5p的表达量较正常细胞显著降低；而异位高表达
miR-886-5p抑制了促凋亡因子 Bax的表达，促进细
胞增殖；相反地，在 SiHa细胞系中敲除 miR-886-
5p，则提高了 Bax的表达量，促进细胞凋亡 [12]。以
上研究证实了 miR-1280和 miR-886-5p都是具有生
物学功能的 miRNA，能抑制靶标蛋白质的翻译，
但它们是来源于 tRNA还是 pre-miRNA的剪切有待
进一步的实验证实。
2013年，来自美国的研究人员在人成熟 B细
胞中的研究证实了 tRNA来源的 miRNA的存在 [5]。
高通量测序结果发现，成熟 B细胞中存在大量的
tRNA小片段，而含量最高的片段来源于 tRNAGly
(GCC)的 3末端，被命名为 CU1276 (图 2D)。进
一步研究发现，CU1276由 Dicer剪切成熟形式的
tRNAGly (GCC)产生，能与人 Ago蛋白家族的 4个
成员 (Ago1、 Ago2、Ago3、 Ago4)结合，并能抑制
在 3UTR包含了互补序列的荧光素酶 mRNA的翻
译 (图 3A)。CU1276特异性地只在生发中心 B细
胞存在，而不存在于其他衍生的淋巴细胞系中。通
过对生发中心 B细胞表达谱的筛选，结合生物信息
学的作用靶标预测，他们确定了 CU1276的一个作
用靶标，即在 DNA代谢过程中发挥重要作用的
RPA1基因。实验证实 CU1276能够抑制 RPA1基
因的表达，从而对细胞增殖和 DNA损伤起调节作
用。这一发现也证实了在人细胞中存在来源于成熟
tRNA的 miRNA。
2　tRF作为逆转录病毒基因组复制的引物
tRNA在病毒感染宿主细胞的过程中发挥着重
要作用。噬菌体等大 DNA病毒在感染细胞时，表
达大量自身 tRNA调节宿主细胞中基因的表达 [13]。
此外，众多的逆转录病毒以宿主细胞中的专一
tRNA作为引物，使之结合于病毒 RNA基因组的引
A~C：miR-1280、miR-1274b(a)与miR-886-5p可能分别来源于人成熟形式 tRNALeu、tRNALys3(5)与tRNA
Ala；D：miRNA
“CU1276”来源于人成熟形式tRNAGly；E：tRF-3019 来源于人成熟形式tRNAPro
图2 已被报道的人tRNA来源的tRF
生命科学 第26卷748
物结合位点 (primer binding site, PBS)，启动逆转
录过程。1型人类免疫缺陷病毒 (human immuno-
deficiency virus type 1, HIV-1)能以人胞质中的 tRNA3
Lys
作为引物 (图 2B) [14]，而鼠白血病病毒 (moloney murine
leukemia virus)和劳氏肉瘤病毒 (rous sarcoma virus)
分别以鼠 tRNAPro与鸡 tRNATrp作为逆转录引物 [15-16]。
此外，人胞质 tRNA3
Lys还能包被于 HIV-1病毒中，
且这一过程并不依赖于 PBS位点，暗示该 tRNA与
病毒存在着更多的相互作用 [17]。
Ruggero等 [18]通过高通量测序发现，在感染
了 1型人类 T细胞白血病病毒 (human T-cell leukemia
virus type 1, HTLV-1)的人 T细胞中存在大量的 tRF。
tRF-3019是丰度最高的 tRF之一，来源于人胞质中
tRNAPro 3末端 (图 2E)，而 tRF-3019在序列上与
HTLV-1基因组 RNA的 PBS位点完全配对。在受
感染细胞中分离的病毒颗粒中还发现了 tRNAPro和
tRF-3019的存在，提示两者都能发挥逆转录引物的
功能，而这一结果也在体外逆转录实验中证实 (图
3B)。这一发现暗示细胞感染病毒时，特定 tRNA
可能被特异性剪切，产生不带冗余序列的、去除空
间阻碍的完美逆转录引物，相比整个 tRNA分子，
可能会明显提高病毒的侵染效率。此外，来源于
tRNALys 3末端的 miR-1274b也很有可能行使逆转
录引物的功能 (图 2B)。
3　tRF-3作为pre-rRNA剪切复合物(TXT)的成
员[19]
Twi12是四膜虫 (Tetrahymena thermophila)生
长所必需的 Ago/Piwi家族蛋白质，主要分布于细
胞核内。研究发现 Twi12特异性地结合来源于成熟
形式 tRNA 3端 18~22 nt的 tRF-3；结合 tRF-3的情
况下，Twi12能与 Tan1蛋白 (Twi-associated novel 1)
和核酸外切酶 Xrn2形成在细胞核内定位的 TXT复
合物，该复合物能够加工 rRNA前体 (pre-rRNA)为
成熟的 rRNA (图 3C)。此外，tRF-3与 Twi12的结
合是后者进入细胞核发挥功能的必要条件；Twi12
A：某些tRF以miRNA方式结合于mRNA 3UTR区抑制靶标基因表达；B：某些tRF作为RNA病毒基因组逆转录引物；C：四膜
虫中的tRF-3参与前体rRNA剪切复合物(TXT)的组装；D：带寡聚鸟苷酸模块(TOG)的5端tiRNA替代延伸因子elF4G与mRNA
的结合，抑制蛋白质翻译；E：tRNA半分子通过结合细胞色素C(Cyt C)抑制细胞凋亡
图3 已鉴定的tRF生物学功能
方志鹏，等：tRNA来源的小片段RNA——新的基因表达调控因子第7期 749
的 RNA结合结构域的单点突变 Y524E突变体丧失
了结合 tRF-3的能力后，就无法入核。tRF-3作为
pre-rRNA剪切复合物的骨架调节 rRNA的剪切成
熟，可能是细胞内蛋白质合成的一种调节途径。当
细胞内蛋白质合成水平偏低时，部分未负载氨基酸
的成熟形式 tRNA被剪切，产生 tRF-3，促使 TXT
复合物的组装与入核，进而加工产生更多的成熟
rRNA提高蛋白质翻译效率。
4　带有多聚鸟核苷酸模块的tiRNA抑制蛋白质
翻译[20]
细胞受到胁迫时，会分泌ANG (人 )和Rny1 (酵
母 )等核酸内切酶，特异性地在成熟形式 tRNA的
反密码环上进行剪切，产生 tiRNA。Yamasaki等 [7]
将天然产生的 5端 tiRNA (5-tiRNA)转染进人骨肉
瘤细胞 U2OS发现，抑制了蛋白质的翻译水平，而 3
端 tiRNA (3-tiRNA)则不起作用。体外翻译系统中
的进一步实验，发现只有 5-tiRNAAla和 5-tiRNACys
等能明显地抑制蛋白质的表达 [20]，而并非所有的
5-tiRNA。为了探索相关机制，他们使用生物素标
记的 mRNA进行亲和素“拉下”(pull down)实验，
发现 5-tiRNAAla等特异性地替代了原本结合在
mRNA 5端上的延伸因子 elF4G (图 3D)。序列结
构分析表明，5-tiRNA的 5末端 4个或 4个以上偶
联的多聚鸟苷酸模块 (terminal oligoguanine motif,
TOG)是起抑制作用的关键元件；TOG模块的加入
能特异性地赋予 5-tiRNAMet原本并不具有的抑制蛋
白质翻译的功能。此外，YB-1蛋白与 5-tiRNAAla
的结合增强了对蛋白质翻译的抑制作用。细胞在不
利条件下产生 5-tiRNA抑制蛋白的翻译，是细胞降
低能量消耗，提高生存机会的有效的调节机制。
5　渗透胁迫下ANG诱导产生的tRNA半分子通
过结合细胞色素C(Cyt C)抑制细胞凋亡[21]
细胞凋亡是机体发育过程中清除受损细胞，维
持细胞稳态的重要过程，由胱天蛋白酶 (Caspases)
行使专一性的蛋白质降解功能 [22]。在哺乳动物的细
胞中，细胞凋亡的刺激信号促使 Cyt C从线粒体释
放到细胞质中，活化胱天蛋白酶激活因子 Apaf-1
(apoptotic-protease-activating factor-1)，继而促进凋
亡复合物的组装，诱导细胞凋亡。之前有研究发现，
不论是细胞质还是线粒体中的 tRNA，都能与 Cyt C
特异性结合，抑制 Cyt C与 Apaf-1的相互作用，从
而阻止后者的寡聚化和细胞凋亡的启动 [23]。
急剧或者缓慢的超渗透压压力都能诱发上述细
胞凋亡途径。Saikia等 [21]最新的研究发现，在超渗
透压胁迫下，加入了 ANG的鼠胚胎成纤维细胞相
比未经处理的细胞，存活率明显提高。深入的研究
发现，ANG可诱导产生 tRNA半分子，而其中的
20种 tRNA半分子能够竞争性地与释放到细胞质中
的 Cyt C结合，形成核蛋白复合物，进而抑制凋亡
复合物的形成，阻止细胞凋亡 (图 3E)。ANG诱导
产生的 tRNA半分子不仅能够抑制蛋白质翻译，降
低细胞能量消耗，而且还保留了成熟形式 tRNA结
合 Cyt C的非经典功能，阻止细胞凋亡，这是细胞
在不利条件下的自我精细调控，以细胞内大量的成
熟形式 tRNA和以此来源的 tRNA半分子库做为细
胞压力的缓冲池，以提高细胞的存活能力。
6　总结与展望
tRNA的剪切产物能够作为具有生物学功能的
新 RNA分子，这进一步促进了我们对细胞内基因
表达调控作用网络的认识。已有的研究发现，除了
经典的 pre-miRNA来源的 miRNA，还存在基因内
含子序列来源、snoRNA来源、shRNA来源以及
tRNA前体 3序列来源的 miRNA[24]。而在特定的组
织细胞，甚至是肿瘤细胞中，越来越多的成熟形式
tRNA被发现同样可以作为 miRNA的前体来源。另
一方面，不论是在四膜虫中作为 pre-rRNA剪切复
合物的重要成员参与 rRNA的水平调控，还是在细
胞受胁迫等条件下抑制蛋白质的合成，调控翻译水
平，tRF均表现出了蛋白质翻译过程中新的调控因
子的功能，这拓展了 tRNA作为遗传信息传递接头
分子的角色。此外，tRF依托细胞内大量的 tRNA，
并继承成熟形式 tRNA结合 Cyt C阻止细胞凋亡的
能力，参与了细胞的信号通路调控。在病毒感染过
程中，tRF还参与调节基因组 RNA的逆转录过程，
暗示着 tRF具有开发成为病毒感染，乃至肿瘤等疾
病检测指标的潜质，甚至可以作为药物作用靶点进
行药物开发。
细胞内含有大量的 tRNA分子，并具有氨基酸
和密码子的特异性，是丰富的核酸序列库。tRNA
的 D环、TψC环和反密码子环等位点都能被特异
性的剪切，产生序列多样性的 tRF。在特定的组织
细胞中，tRF被特异性地剪切产生，发挥多重多样
的生物学功能。随着研究的更加深入，我们对 tRF
这一新的调控因子的认识与理解将会得到进一步
地加强。
生命科学 第26卷750
[参　考　文　献]
[1] Mattick JS, Makunin IV. Non-coding RNA. Hum Mol
Genet, 2006, 15(1): R17-29
[2] Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: a revolutionary
tool for transcriptomics. Nat Rev Genet, 2009, 10(1): 57-
63
[3] Miska EA, Alvarez-Saavedra E, Townsend M, et al.
Microarray analysis of microRNA expression in the
developing mammalian brain. Genome Biol, 2004, 5(9):
R68
[4] Thompson DM, Parker R. Stressing out over tRNA
cleavage. Cell, 2009, 138(2): 215-9
[5] Maute RL, Schneider C, Sumazin P, et al. tRNA-derived
microRNA modulates proliferation and the DNA damage
response and is down-regulated in B cell lymphoma. Proc
Natl Acad Sci USA, 2013, 110(4): 1404-9
[6] Fu H, Feng J, Liu Q, et al. Stress induces tRNA cleavage
by angiogenin in mammalian cells. FEBS Lett, 2009,
583(2): 437-42
[7] Yamasaki S, Ivanov P, Hu GF, et al. Angiogenin cleaves
tRNA and promotes stress-induced translational
repression. J Cell Biol, 2009, 185(1): 35-42
[8] Lee YS, Shibata Y, Malhotra A, et al. A novel class of
small RNAs: tRNA-derived RNA fragments (tRFs). Gene
Dev, 2009, 23(22): 2639-49
[9] Schopman NC, Heynen S, Haasnoot J, et al. A miRNA-
tRNA mix-up: tRNA origin of proposed miRNA. RNA
Biol, 2010, 7(5): 573-6
[10] Kozomara A, Griffiths-Jones S. miRBase: annotating high
confidence microRNAs using deep sequencing data.
Nucleic Acids Res, 2014, 42(Database issue): D68-73
[11] Majid S, Dar AA, Saini S, et al. MicroRNA-1280 inhibits
invasion and metastasis by targeting ROCK1 in bladder
cancer. PLoS One, 2012, 7(10): e46743
[12] Li JH, Xiao X, Zhang YN, et al. MicroRNA miR-886-5p
inhibits apoptosis by down-regulating Bax expression in
human cervical carcinoma cells. Gynecol Oncol, 2011,
120(1): 145-51
[13] Miller ES, Kutter E, Mosig G, et al. Bacteriophage T4
genome. Microbiol Mol Biol Rev, 2003, 67(1): 86-156
[14] Barat C, Lullien V, Schatz O, et al. HIV-1 reverse
transcriptase specifically interacts with the anticodon
domain of its cognate primer tRNA. EMBO J, 1989,
8(11): 3279-85
[15] Harada F, Peters GG, Dahlberg JE. The primer tRNA for
Moloney murine leukemia virus DNA synthesis.
Nucleotide sequence and aminoacylation of tRNAPro. J
Biol Chem, 1979, 254(21): 10979-85
[16] Morris S, Leis J. Changes in Rous sarcoma virus RNA
secondary structure near the primer binding site upon
tRNATrp primer annealing. J Virol, 1999, 73(8): 6307-18
[17] Jiang M, Mak J, Ladha A, et al. Identification of tRNAs
incorporated in to wi ld- type and mutant human
immunodeficiency virus type 1. J Virol, 1993, 67(6):
3246-53
[18] Ruggero K, Guffanti A, Corradin A, et al. Small
noncoding RNAs in cells transformed by human T-cell
leukemia virus type 1: a role for a tRNA fragment as a
primer for reverse transcriptase. J Virol, 2014, 88(7):
3612-22
[19] Couvill ion MT, Bounova G, Purdom E, et al . A
Tetrahymena Piwi bound to mature tRNA 3’ fragments
activates the exonuclease Xrn2 for RNA processing in the
nucleus. Mol Cell, 2012, 48(4): 509-20
[20] Ivanov P, Emara MM, Villen J, et al. Angiogenin-induced
tRNA fragments inhibit translation initiation. Mol Cell,
2011, 43(4): 613-23
[21] Saikia M, Jobava R, Parisien M, et al. Angiogenin-cleaved
tRNA halves interact with cytochrome c, protecting cells
from apoptosis during osmotic stress. Mol Cell Biol, 2014,
34(13): 2450-63
[22] Jiang X, Wang X. Cytochrome C-mediated apoptosis.
Annu Rev Biochem, 2004, 73: 87-106
[23] Mei Y, Yong J, Liu H, et al. tRNA binds to cytochrome c
and inhibits caspase activation. Mol Cell, 2010, 37(5):
668-78
[24] Miyoshi K, Miyoshi T, Siomi H. Many ways to generate
microRNA-like small RNAs: non-canonical pathways for
microRNA production. Mol Genet Genomics, 2010,
284(2): 95-103