本文首发于君莲书院，扫码入群获取原文！第一时间学习前沿热点，高分综述。上个月9号，来自哈佛大学医学院与波士顿儿童医院的科研团队在Nature子刊 Nature Reviews Genetics（1区，IF=59.581）上发表了题为“tRNA dysregulation and disease （tRNA 失调与疾病）”的综述。Richard I. Gregory教授博士毕业于剑桥大学，是哈佛大学医学院教授、波士顿儿童医院首席研究员。他一直专注于RNA方面的研究，在本文中，Gregory教授及其团队重点讨论了tRNA的基因丰度和功能变化，以及tRNA的失调与恢复对疾病的影响。转运RNA（Transfer RNA；tRNA）在蛋白质合成过程中发挥作用，是mRNA翻译过程中协助破译遗传密码的关键分子。传统观点将 tRNA 视为普遍表达的管家分子（即在所有细胞中都稳定表达的一类分子），然而，现在人们越来越意识到编码 tRNA 的基因的表达存在组织特异性和细胞类型特异性，并且 tRNA 基因的表达和功能都受到转录后修饰的动态调节。此外，由其丰度或功能改变介导的 tRNA失调可能产生有害后果，导致几种不同的人类疾病，包括神经系统疾病和癌症。越来越多的证据表明，通过改变 tRNA 活性对 mRNA 翻译进行重编程可以以密码子依赖性方式驱动病理过程。本综述汇总了支持tRNA具有一定功能的新证据，认为它是在生理细胞中协调mRNA翻译和蛋白质表达平衡的重要调节机制，并重点介绍了与tRNA失调直接相关的人类疾病的主要例子。tRNA被发现的60余年来，一直被认为是参与破译mRNA中的遗传密码和合成蛋白质的关键分子。初步确定tRNA结构后不久，就发现它是高度结构化的，通常由约76个核苷酸组成，排列在包含3个茎环的三叶草二级结构中，分别为D环（含二氢尿苷环）、反密码子环和T环（胸苷、假尿苷和含胞苷或TΨC 环）。这些茎环自身折叠形成经典的L形tRNA构象，其中一个臂由受体茎和T环组成，第二臂由D环和反密码子茎环形成（Fig 1a）。除了其紧凑的形状，部分tRNA还具有另一个决定性特征，即反密码子三联体中存在的肌苷（一种修饰的腺苷），这构成了“摆动假设”的基础。此外，tRNA中含有许多转录后化学修饰，可以影响tRNA的稳定性、结构、折叠、翻译的保真度和翻译的微调。这些tRNA修饰会对细胞代谢或环境信号的变化做出动态反应，如果失调就有可能会产生严重的生物学后果。值得注意的是，人类基因组包含约500个编码核tRNA的基因，这些基因由RNA聚合酶 III (Pol III) 转录；以及由线粒体基因组编码的22个tRNA。核编码的tRNA形成21个同工受体（isoacceptor）家族，每个家族由编码相同氨基酸但具有不同反密码子的tRNA组成。因此，每个氨基酸都存在一个同工受体家族，包括硒代半胱氨酸（一种半胱氨酸类似物，含有硒而不是硫，对硒蛋白的形成至关重要）。相比之下，异源解码（isodecoder）家族是指共享相同的反密码子，但在其结构的其他地方拥有核苷酸差异的tRNA。有趣的是，在真核生物中，编码异源解码tRNA的数量（作为所有tRNA基因的一小部分）变化很大，并且在整个系统发育树中趋于增加；例如，在人类中，约50%的tRNA基因编码异解码tRNA，而在出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）中这部分基因占比约3%（Fig 1b）。基于假设的不同异源解码tRNA存在功能冗余，人类基因组（以及其他高等真核生物的基因组）包含如此多 tRNA 基因的原因仍不清楚。然而，这种情况暗示了tRNA 基因可能在不同亚群的组织特异性或细胞类型特异性表达，并表明tRNA异源解码功能可能比预期的冗余更少和/或更多样化。事实上，不同细胞中tRNA基因的确切数量、特定库和相对表达水平仍有很大部分依旧未知。来自新开发的批量二代tRNA测序技术的数据表明，单个人类细胞可能有300-400个活跃转录的tRNA基因，但到目前为止，还没有可用的单细胞水平的tRNA丰度数据。尽管如此，基于tRNA测序研究提供的越来越多的证据，研究者们提出了一个新的概念，即tRNA表达受环境影响，包括细胞环境和组织类型，这与mRNA 表达或microRNA表达类似。此外，尽管每个单独的人类tRNA对蛋白质合成的贡献程度仍未确定，但越来越多的证据表明，并非所有同工受体tRNA及异源解码tRNA在功能上都等效。因此，特定tRNA的丰度或功能变化会导致mRNA翻译的密码子偏向重编程，由此富含特定密码子的不同mRNA集受特定tRNA基因改变的影响，并导致某些人类疾病的发生。在这篇综述中，我们关注tRNA在mRNA翻译中的典型作用，并特别强调 tRNA的失调。tRNA失调的可分为tRNA丰度变化和tRNA功能变化两种。第一种涉及影响tRNA转录、加工或稳定性，发生分子机制的突变以及tRNA基因的突变。第二组包括tRNA的氨基酸活化障碍及酶的突变，这些酶通过沉积或改变RNA修饰影响tRNA的功能。本文举例强调了tRNA失调对人类疾病的影响，并讨论了潜在的治疗干预途径。由于其它综述已经对tRNA的非经典生物学功能进行了全面的讨论，本文不会再对其进行赘述。◆ tRNA的编码基因的表达具有组织特异性和细胞类型特异性。◆ tRNA基因的表达和功能都受到转录后RNA修饰的动态调节。◆由其丰度或功能改变介导的tRNA失调可能会产生有害后果，导致多种不同的人类疾病。◆通过改变tRNA活性对mRNA翻译进行重编程，可以以密码子依赖的方式驱动病理过程。
Pol III酶负责转录tRNA以及其他几种非编码RNA，包括5S核糖体RNA、U6小核RNA、7SLRNA、7SKRNA 和核糖核酸酶P(RNase P)RNA。Pol III（也称为POLR3）的17个亚基中，有9个会发生各种遗传突变，这些突变已经被与多种神经退行性疾病关联起来（Fig 2a）。编码Pol III亚基的基因中的六个突变（POLR3A、POLR3B、POLR1C、POLR3K、POLR3H和POLR3GL）会导致一些罕见的遗传疾病，包括最常见的POLR3相关疾病——髓鞘性脑白质营养不良。编码转录因子IIIB的90 kDa亚基 (TFIIIB；其异构体1作为POLR3的激活剂参与tRNA转录)的B相关因子1 (BRF1)，其突变与小脑-面部-牙齿综合征有关，此综合征在临床上常发生在POLR3相关疾病中。
为了解释Pol III功能低下导致的病理生理学后果，有一种假设提出，Pol III中的突变导致tRNA水平全面降低或特定tRNA种类水平降低，这一变化影响蛋白质的整个生产过程，尤其在早期发育中影响甚大。例如，它们会导致髓鞘形成缺陷，从而引起低髓质化表型，这是髓鞘形成不良性脑白质病的特征。有好几篇研究报告支持了这个假设，均表示不同的致病突变会导致某些tRNAs水平下降。然而，不同研究中受影响的tRNA的种类并不相同。例如，POLR3A的一个纯合剪接位点突变会导致tRNAGly、tRNALeu、tRNAHis和启动子tRNAMet显著发生变化，尽管尽管在整体的成熟tRNA水平上，这种下降是轻微的。类似地，携带POLR3K突变的患者体内，成纤维细胞显示启动子tRNAMet水平降低。此外，在HEK293细胞中，使用CRISPR–Cas9建模致病的POLR3A突变，发现前体tRNA水平普遍下降。尽管这些研究提供了POLR3相关疾病中tRNA的概况，但读者应该注意它们并不是在神经元细胞中进行的实验。这种突变最有可能对疾病相关细胞中的Pol III转录组产生深远影响。细胞在进行分裂之前，需要达到临界细胞大小，这一过程直接与整体蛋白质的合成增加协同进行。蛋白质翻译比率增加的一个重要因素是tRNA基因的转录，在拥有肿瘤抑制因子或肿瘤基因途径改变的细胞中，这种转录会升高。越来越多的证据表明，Pol III可以被常见的癌蛋白和肿瘤抑制因子调节，这些蛋白和肿瘤抑制因子由人类癌症中一些最常见的突变基因编码，例如编码mTORC1成分或参与Ras信号传导的基因，MYC、TP53、NOTCH1和RB1等。例如， mTORC1或其下游效应子直接或间接磷酸化Pol III的关键组件，可介导Pol III的转录发生（Fig 2b）。MYC是一种可在蛋白质合成之前驱动细胞分裂增加的转录因子，并已被证明通过与BRF1（TFIIIB复合物的关键成分）结合直接定位于tRNA基因，从而控制Pol III转录。这种相互作用可以触发组蛋白修饰酶定位，例如组蛋白乙酰转移酶GCN5（也称为KAT2A），以及接头蛋白转化和转录域相关蛋白(TRRAP)，这有助于促进tRNA 的基因转录。Ras信号还可以通过增加TFIIIB复合物的组分的表达来增加Pol III转录。相比之下，肿瘤抑制蛋白p53和Rb都通过直接结合TFIIIB复合物的组成部分（TATA盒结合蛋白或BRF1）来负调控Pol III转录，从而抑制Pol III向tRNA基因的募集。2021年，NOTCH1（该基因的异常激活是T细胞急性淋巴细胞白血病的关键）被确定为tRNA（尤其是tRNAVal）生物发生的正调节因子。综上所述，先前一系列研究说明，Pol III调节tRNA水平是控制肿瘤的生长、恶性转化和发生的重要机制。目前，致癌基因和肿瘤抑制蛋白对Pol III转录物的调节是全局性的还是偏向于某些tRNA家族、受体或同种解码器，依旧还是未知的。基因表达可以通过DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传机制进行正向或负向调节（Fig 3a）。尽管调控tRNA转录的表观遗传机制尚未完全研究清楚，已有证据表明，这些表观遗传过程可能在调节生理状态和疾病中tRNA的转录方面起到部分的作用。例如，TRX-CAT1-4基因（即tRNA-iMet（anti-codon CAT) 1–4）的高甲基化，被认为是在由全基因组关联研究确定的疾病相关遗传区域内，与年龄相关的DNA甲基化变化。进一步的tRNA位点研究表明，年龄相关和组织特异性的CG DNA高甲基化在基因组内富集。为支持这一观点，一项在非洲爪蟾卵母细胞中进行的早期研究使用了高甲基化tRNALys编码基因，该研究结果表明，tRNA基因的Pol III依赖性转录可能会受到其甲基化状态的影响。需要更多的研究来阐明基因甲基化在tRNA基因座转录调控中的作用。
组蛋白修饰对tRNA基因转录的影响已在其它综述中被详细地描述过。例如，据报道，Pol II转录基因与tRNA基因的核小体占据或定位是相似的，组蛋白调节可能也在 tRNA 表达中起重要作用。巨噬细胞的分化过程中说明了这种调节的动态过程；染色质可及性与赖氨酸27 (H3K27ac) 的组蛋白H3乙酰化水平呈正相关，而H3K27ac是一种与转录水平（包括tRNA转录）呈正相关的组蛋白标记。许多tRNA基因的下调发生在单核细胞向巨噬细胞的分化过程中，这表明它们的转录在细胞分化过程中受到动态控制。尽管tRNA表达的动态表观遗传调控越发被重视，但其与疾病状态的相关性仍是未知的。Pol III转录基因存在于相对缺乏核糖体的基因间区域，这暗示局部染色质可及性可能在tRNA基因的转录中并不重要，但在酵母中进行的研究却表明并非如此。例如，酵母细胞中的全范围核小体消耗导致几个含有tRNA基因的位点的转录激活。因为大多数tRNA基因与包裹在单个核小体上的DNA分子的大小相似，所以Pol III必须与核糖体竞争以获取tRNA基因。早期研究表明，含有tRNA基因的位点的核糖体消耗是活跃的Pol III转录的结果；而一致的证据还表明，核小体被染色质重塑剂积极地排除在tRNA基因之外以促进其转录。总之，多项证据支持在含有tRNA基因的位点上，动态染色质重构作为调节tRNA基因转录的调节机制的作用。这种调节机制具有快速响应细胞状态变化的能力，其生理作用需要进一步研究来评估。线粒体tRNA (mt-tRNA)基因是多种疾病相关突变的热点区域。在过去的24年中，全部22个mt-tRNA基因的约370个突变被相关研究报道。这些突变与tRNA修饰水平的改变和线粒体蛋白质翻译功能的改变有关。
最初的观察结果表明，mt-RNA基因中的点突变可导致由RNA修饰沉积缺陷介导的异常mt-tRNA功能，该研究分析了从两种重要线粒体疾病患者中分离出的tRNA，这两种疾病分别是肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维综合征（MERRF）和线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒和卒中样发作（MELAS）。mt-tRNALeu(UUR)中的突变包括 A3243G和U3271C（以及与MELAS相关的其他突变），阻碍了tRNA修饰酶GTPBP3-MTO1的识别，该酶复合体负责在“摇摆”位置产生5-呋喃甲基尿苷（τm5U）。突变依赖的τm5U在mt-tRNALeu(UUR)中的第34位发生低修饰，导致在MT-ND6 mRNA（编码NADH-泛醌氧化还原酶链6，是线粒体复合物I的一个重要组成部分）中富集的UUG密码子识别受损，从而导致呼吸活动的缺陷。mt-tRNA基因突变和受损的RNA修饰之间的其他几种关联也已被发现。其中一些突变与修饰位点不重叠，这表明致病点突变可能对底物识别产生不利影响或改变tRNA修饰酶的活性。2020年，一项关于mt-tRNA 修饰的深入研究对全部22种mt-tRNA进行分析，共在137个位置发现了18 种修饰核苷。这项研究还在常见的修饰位点内确定了23个与疾病相关的点突变，这些点突变可能会消除修饰。为充分了解线粒体疾病的基础，我们有必要进一步了解人类mt-tRNA的修饰。与mt-tRNA基因的突变相比，研究者对于细胞质tRNA基因突变的发生率或其在疾病中的作用知之甚少（Fig 3b）。2018年发布的一项针对细胞质tRNA基因突变率的研究表明，这些基因受到转录相关突变的影响。引人注目的是，该报告显示tRNA基因位点的突变率高达全基因组平均值的10倍。大多数这种遗传变异性是由tRNA基因侧翼区域的突变造成的，侧翼区域被定义为转录起始位点上游或成熟tRNA序列上游的20个核苷酸，加上3'末端下游的10个核苷酸成熟的 tRNA 序列。有趣的是，变异性最高的侧翼区域位于成熟tRNA的5'端，该区域还包含转录起始位点（仅位于成熟tRNA序列上游的五个核苷酸）。这一观察提出了几个有趣的问题：侧翼区域的突变会影响tRNA表达吗？tRNA基因位点的突变是否有助于人类的生存适应性和/或自然变异？尽管一些证据表明侧翼区域的突变可以影响人类细胞中的tRNA表达，但此类突变对tRNA基因转录的影响仍尚未知。相比之下，成熟的tRNA序列是高度保守的，这与为了维持 tRNA功能的强大选择压力相一致。因此，成熟tRNA序列中的突变被认为是高度有害的。一个有趣的例子是异源解码tRNA-Arg（反密码子TCT）4-1，它仅在中枢神经系统中表达。一项对小鼠的研究确定了Mod205基因座中含有n-TRtct5的点突变，该 SNP 位于tRNA T环的第50位，被证明可以干扰成熟过程，导致pre-tRNA积累及氨酰化水平降低。有趣的是，tRNA-Arg（反密码子 TCT）4-1 的成熟序列在脊椎动物和无脊椎动物中都高度保守。在核编码的 tRNA 基因中报告了另一种突变：在一名纯合子患者中发现功能性硒半胱氨酸tRNA序列的单核苷酸变化（C65G），该患者患有血浆硒水平低、腹痛、疲劳、肌肉无力和压力相关硒蛋白水平降低（Fig 3c）。有趣的是，这种位于受体茎的突变导致U34修饰减少，这对于摆动配对至关重要。这些研究展示了核 tRNA 基因突变的致病潜力。人类基因组中非编码序列的突变经常被忽视，它们也可能导致核tRNA组的表征多样性。此外，一些研究表明，在人类基因组中可以观察到 tRNA 基因拷贝数变异，并且可能是个体之间表型变异的来源。位于1号染色体上的五个tRNA基因簇（包括Glu-CTC、Gly-TCC、Asp-GTC、Leu-CAG和Gly-GCC 基因），比hg19参考基因组拥有更多的拷贝数。此外，大约50%的基因分型个体在11号染色体上缺失了至少一个tRNALysCUU基因的等位基因。然而，由于来自不同基因的成熟 tRNA 同工受体的核苷酸序列相同，研究单个tRNA基因座的贡献仍然非常具有挑战性。tRNA 基因拷贝数变异可能代表了一个遗传多样性尚未被充分认知的层面，并可能潜在地与人类疾病和遗传适应性有关。
总之，细胞tRNA库可能会受到生物发生途径中多个阶段改变的影响，包括tRNA基因的突变以及转录或成熟的缺陷。转录后tRNA修饰的失调，例如N7-甲基鸟苷 (m7G)，也可通过影响tRNA的稳定性而导致tRNA丰度的变化（Box 1）。tRNA通常被当作过量产生的，意味着它们的水平可能并不代表蛋白质稳态的限制因素。然而，现在我们越来越明白，tRNA库中的微小变化有可能会产生深远的生理后果，并且这些变化可能与包括神经系统疾病和癌症在内的许多人类疾病直接相关。方框1：tRNA功能受转录后修饰的影响。其中一些修饰改变了tRNA的稳定性：例如，n7 -甲基鸟苷(m7G)位于一个tRNA子集的46位，该子集在其可变环中含有RAGGU模体。tRNAPhe的晶体结构表明，m7 G46与C13和G22形成碱基三重作用，有助于稳定tRNA的三级结构。在哺乳动物中，异二聚体tRNA(鸟嘌呤- N7 -)甲基转移酶(METTL1) - WDR4酶复合体负责在tRNA中沉积m7G。在人类中，WDR4的致病突变可导致tRNA m7G修饰受损，并与以脑畸形、脑病和面部二型性为特征的原始性小头畸形侏儒症以及Galloway-Mowaty综合征（一种以神经发育缺陷合并肾小球疾病为特征的异质性疾病）相关。在酵母或小鼠干细胞模型中，甲基转移酶复合物的任何一种组分的缺失都会导致m7G修饰的tRNA丰度降低。在酵母中，低修饰tRNA的降解是通过一种被称为tRNA快速衰减途径的质量控制途径进行的，其在人体中对应的途径尚不清楚。在小鼠中，m7G甲基转移酶复合物的缺失导致干细胞更新和神经分化的缺陷，这与WDR4突变患者中观察到的严重脑畸形是一致的。此外，在人类癌症中，METTL1和WDR4的表达高度上调，METTL1可以作为一种致癌基因。从机制上讲，过表达METTL1导联可增加m7G水平，并增加tRNA亚群的丰度。令人惊讶的是，这些丰度增加了的tRNA之一是中枢神经系统特异性tRNA-Arg(反密码子TCT) 4-1。过表达该tRNA部分再现了METTL1过表达时观察到的恶性转化，因此支持了观点：tRNA池的变化和密码子偏倚的mRNA翻译是这种恶性表型的原因。
tRNA 生物发生始于pre-tRNA的转录，然后经历一个多步骤成熟过程，包括由核 RNase P修剪5'端的侧翼区域，以及由RNase Z1和RNase Z2（也称为 ELAC1 和 ELAC2）修剪3'端。大约6%的pre-tRNA 还通过专用的tRNA剪接工具去除短内含子。该步骤之后，由tRNA核苷酸转移酶TRNT1在3'末端添加 CCA（胞嘧啶-胞嘧啶-腺嘌呤）序列，并由特定的RNA修饰酶对众多可能的化学修饰进行特定的子集沉积。每个成熟的tRNA分子平均包含约13个此类修饰。然后，氨酰 tRNA 合成酶 (aaRS) 在每个成熟的tRNA的3'端添加一个氨基酸（称为氨酰化的过程），以匹配一个特定的三核苷酸反密码子序列。
pre-tRNA的成熟对于正常细胞稳态、分裂和生长的调节至关重要，并且pre-tRNA成熟失调存在于各种人类疾病中（Fig 4）。尽管在编码RNase P复合物成分的基因中尚未报道与疾病相关的突变，但在癌细胞中已经发现催化活性RNase P RNA成分H1（也称为RPPH1）以及复合体的蛋白成分的表达水平升高。在线粒体 RNase P (mtRNase P) 中发现了许多突变，该复合物在线粒体中进行pre-tRNA 的修剪。mtRNase P的三种蛋白质成分（MRPP1、MRPP2和MRPP3）的突变与多种疾病有关。例如，MRPP2的几个突变与HSD10疾病（即，2-甲基-3-羟基丁酸尿症）有关，该疾病具有类似于严重线粒体疾病的复杂特征。HSD10的典型症状包括心肌病、认知和运动功能丧失、癫痫和失明。在HSD10患者的成纤维细胞中进行的功能研究表明，MRPP2的致病突变会影响线粒体RNA基因转录的加工、tRNA修饰和mtRNase P的整体活性。MRPP1的病理突变与张力减退、乳酸性酸中毒和耳聋有关。类似地，在使用患者的成纤维细胞的研究中，m1R9 甲基转移酶 (MTase) 的活性正常，该酶催化mt-tRNA中第9位鸟嘌呤或腺嘌呤的N1甲基化，但由于MRPP1蛋白的稳定性降低，mtRNase P活性受损，导致未加工的前体mt-tRNAs积累。此外，MRPP3突变导致mt-tRNA加工缺陷。携带这些突变的患者表现出多种表型，包括听力损失、原发性卵巢功能不全、发育迟缓和脑白质变化。在功能上，PRORP中的突变导致患者成纤维细胞中MRPP3水平降低，同时未加工的mt-tRNA积累。体外重组分析还表明，致病突变损害mt-tRNA的加工。动物模型的有力证据进一步支持了以下观察结果：mtRNase P的所有三个亚基中的致病变异均会导致线粒体功能障碍和各种临床表现。在人类的两种核 RNase Z异构体ELAC1和ELAC2中，ELAC2可能是那个主要负责去除tRNA尾随序列的酶。ELAC2先是被发现与前列腺癌易感性相关，又被发现其突变与心脏疾病之间也存在关联。相比之下，ELAC1尚未被发现与疾病相关。ELAC1的功能是通过去除2',3'-环状磷酸部分（在已被tRNA核酸内切酶ANKZF1从核糖体P位点切割的tRNA上发现）来回收停滞核糖体释放的tRNA，从而使CCA重新整合。在TRNT1的介导下，加工和回收的tRNA作为底物参与了在3'末端添加或重新掺入CCA三核苷酸的过程。TRNT1突变与一系列临床表现各异的罕见代谢疾病（包括儿童期发病的铁粒幼细胞性贫血、B淋巴细胞免疫缺陷、色素性视网膜炎、肝肿大、耳聋、小脑萎缩以及胰腺和肾功能缺陷）有关。从机制上讲，这些突变导致细胞质 RNA和mt-tRNA的转录后修饰（特别是在mt-tRNACys、mt-tRNA LeuUUR和mt-tRNAHis中添加3'CCA三核苷酸这个过程）产生缺陷。最后，大约6%的人类tRNA基因含有一个小内含子，该内含子被tRNA剪接核酸内切酶 (TSEN) 复合物去除，以产生功能成熟的tRNA。人类TSEN由两个催化亚基TSEN2和 TSEN34以及两个结构亚基 TSEN15 和 TSEN54 组成。在患有脑桥小脑发育不全的患者中发现了编码每个亚基的基因突变，这是一组具有共同临床特征的发育障碍，包括小脑发育不全和小头畸形。此外，哺乳动物TSEN复合物与RNA激酶CLP1相关联，并且已发现CLP1突变在患有神经病理学和tRNA剪接缺陷的患者中存在。在过去的一年中，通过对人类TSEN-CLP1复合物的生化重建以及对脑桥小脑发育不全患者的成纤维细胞分析，研究者得以深入了解在这些患者中观察到的剪接缺陷的分子机制。这项工作表明，尽管突变体TSEN保留了其核酸内切酶活性，但复杂的组装和前tRNA切割发生了变化，这就导致pre-tRNA池也发生变化。总之，强有力的证据表明TSEN-CLP1复合体中的多态性（也因此，tRNA剪接缺陷）是脑桥小脑发育不全的根本原因。除了在tRNA 水平上发生的变化，导致tRNA功能发生改变的变化也会导致人类疾病的发生。这些变化包括在氨基酸活化过程中的引入错误以及对同源密码子识别至关重要的转录后修饰中的错误。在本节中，我们特别介绍了一些示例，以此说明这些过程如何与人类疾病直接相关。tRNA必须在跟与其反密码子序列相匹配的氨基酸结合的情况下发挥功能。这一被充分描述特征的过程由aaRS酶执行。氨基酸活化缺陷可能在蛋白质合成中造成破坏性后果，从而导致多种人类疾病（Fig 5）。已经有至少有17种不同线粒体的aaRS病理突变被发现，这些突变主要会导致中枢神经系统症状的产生。
细胞质aaRS的疾病相关突变在2D型腓骨肌萎缩症病患者中首次被发现，这是一种遗传性周围神经病，其特征是运动和感觉神经元进行性退化导致肌肉无力以及上下肢萎缩。五种细胞质甘氨酰-tRNA 合成酶 (GARS) 的突变都被发现与该病有关，其潜在分子机制也已被发现。尽管关于GARS突变导致的分子层面改变仍有争议，但相关细节已经被越来越多的研究报道。近期研究显示，异常GARS活动与功能获得机制有关，这导致翻译发生损害。突变的GARS通过与tRNA Gly结合将其隔离，耗尽tRNA Gly库，致使核糖体在甘氨酸密码子上停滞，从而通过传感器激酶GCN2慢性激活综合应激反应。综合应激反应可以通过GCN2的药理学抑制或tRNA Gly的异位表达来减少，减轻动物模型中的周围神经病变。尚不清楚综合应激反应的慢性激活是否是其他aaRS病理突变共有的机制，但异常aaRS活动被认为是tRNA相关疾病的重要原因。tRNA分子包括许多化学修饰（涉及其10-20%的核苷酸），这些修饰在其稳定性、结构、折叠、翻译保真度和翻译微调方面发挥着不同的作用。人类tRNA修饰具有组织特异性和细胞类型特异性，它们的水平和活性可以根据细胞应激源或环境因素动态变化。已知的修饰类型在细胞质tRNA中多达39种，在mt-tRNA中存在18种，并且据报道，在疾病中负责这些修饰的许多酶发生失调。RNA化学修饰的研究称为表观转录组学，由异常tRNA修饰引起的疾病称为tRNA修饰病。这两个领域的主要目标是了解特定tRNA修饰的分子机制。
大多数tRNA修饰病与功能丧失机制有关，这是由相关tRNA修饰酶的突变或缺失而导致的。尽管对tRNA修饰及其相关的酶的了解尚不完整，但tRNA的异常修饰可以通过以下三种主要方式影响翻译：反密码子中的异常修饰直接限制或扩展解码功能；tRNA中的异常修饰改变其折叠特征或结构稳定性；以及tRNA异常修饰改变氨基酸活化特异性（Fig 5）。例如，反密码子环摆动位置的异常修饰可以限制或扩大tRNA解码潜力。5-甲氧羰基甲基尿苷（mcm5U）或5-甲氧羰基甲基-2-硫尿苷（mcm5s2U）的缺失会导致翻译改变，从而引发氨基酸序列错误并激活未折叠蛋白反应和热休克反应。相比之下，在第34位（即，A43至I34）处腺苷变为肌苷使得所得反密码子能够识别在第三位具有U，C或a的密码子。I34的完全切除与生命产生冲突，这意味着 I34 对于正确的蛋白质合成至关重要。在人类中，一些证据表明第37位的修饰状态也可能对正确的氨酰化很重要，因为废除第37位的N6-苏氨酰氨基酰腺苷（t6A）会导致mt-tRNALys的氨基酰化水平明显降低。迄今为止，癌症是人类研究最透彻的病症之一，这些年来研究人员已经收集了多组大型癌症数据集。使用癌症基因组图谱中包含的数据，对患者来源的样本的mRNA表达进行全面分析，结果表明tRNA修饰酶在癌症中高度失调。tRNA假尿苷合成酶A (PUS1；将尿苷转化为假尿苷(Ψ))、tRNA (鸟嘌呤 (26)- N2-) 二甲基转移酶(TRMT1；将鸟苷转化为N2、N2 -二甲基鸟苷 (m2,2G) ) 和 tRNA (鸟嘌呤-N7-) 甲基转移酶 (METTL1; 将鸟苷转化为m7G) 是不同癌症中上调最多的tRNA修饰酶，而癌症基因组图谱数据集中下调最多的酶是tRNA MTase TRMT9B（催化未知修饰，可能是在摆动位置34处的尿苷修饰）,tRNA (胞嘧啶 (38)-C5-) 甲基转移酶 (TRDMT1; 它在 tRNA Asp的反密码子环的第 38 位产生 5-甲基胞嘧啶 (m5C)) 和tRNA甲基转移酶10同源物A(TRMT10A; 它催化形成N1-甲基鸟嘌呤在位置9(m9G))。为了充分了解tRNA修饰在单个分子及整体代谢层面对人类疾病的贡献，我们还需要进一步进行研究。癌症基因组图谱中的microRNA测序数据已被用于估计患病组织和健康组织中tRNA的水平。结果表明，特定tRNA丰度的改变是不同人类癌症中的普遍现象。这一结果在许多人类癌症都有所体现，越来越多的证据表明，tRNA库的变化不会对蛋白质合成产生整体的影响，而是通过诱导mRNA翻译的密码子偏性的重编程去特异性地驱动致癌程序。下面的例子强调了疾病机制的潜在作用，这些机制利用tRNA供需的改变来优先翻译涉及转移、耐药性、细胞生长和生物能量的mRNA。
翻译启动是蛋白质合成中的第一个限速步骤，可以被劫持后支持肿瘤发生。例如，tRNAiMet的过表达会导致永生化人类乳腺细胞的代谢和生长速率发生变化；tRNAiMet的过表达也可促进黑色素瘤肿瘤的转移，并增加小鼠的肿瘤负荷和血管形成。致癌mRNA翻译的另一个调控是延长tRNA的改变，以及由此产生的同源密码子使用的变化（Fig 6a）。tRNAGlu(UUC)和tRNAArg(CCG)的过表达可增强富含同源密码子的转录本的翻译，促进乳腺癌的前转移状态。此外，改变摆动修饰对mRNA翻译的重编程，可能在由BRAFV600E基因驱动黑色素瘤的靶向治疗耐药中发挥重要作用。U34 tRNA修饰酶的过表达通过对HIF1A mRNA翻译的调节促进糖酵解。翻译重编程的另一个例子是在METTL1和/或WDR4过表达时m7G修饰的tRNA的积累。tRNAArg (TCT)或 tRNALys (CTT)的积累导致促生长蛋白的翻译产生偏差，以此支持细胞的恶性转化。使用CRISPR–Cas9技术对参与tRNA生物发生的成分进行全基因组功能丧失筛选，确定了tRNAVal是T细胞急性淋巴细胞白血病病理生物学的关键改变。从机制上讲，NOTCH1信号的增加导致tRNAVal上调。这种变化影响参与电子传递链的mRNA翻译，这些mRNA因富含缬氨酸密码子而具有较强的线粒体生物能量。有趣的是，在T细胞急性淋巴细胞白血病的小鼠模型中，饮食中限制缬氨酸的消耗可以减少肿瘤的负担，这提示了一种潜在的治疗途径。密码子偏性翻译这一新兴概念与疾病的相关性正变得越来越明晰，并可能有助于解释tRNA表达或功能改变引起的各种疾病相关的表型。参与tRNA的生物发生和功能的蛋白质是治疗疾病有吸引力的靶标（Fig 6b）。例如，aaRS（不光是人类aaRS，还有病原体产生的aaRS）作为药物开发中的潜在治疗靶点已受到相当大的关注。此外，目前正致力于鉴定和开发RNA（包括tRNA）修饰酶的小分子抑制剂。线粒体基因组的精确编辑是另一种很有前景的治疗方法，为线粒体疾病的治疗提供了可能性。目前，直接调节tRNA分子这个潜在治疗干预领域被忽视了。以下三种方法之一可能就是它的治疗前景：在特定tRNA功能丧失引起疾病的患者中恢复tRNA功能；在特定tRNA水平升高引起疾病的患者中调节或抑制tRNA（称为onco-tRNA）；或表达能抑制过早终止密码子的反密码子tRNA（Fig 6b）。第一种方法最明显的临床前例子是通过转基因tRNAGly分子的过表达来治疗由异常GARS引起的腓骨肌萎缩症动物模型。该策略仍有待在临床环境中进行测试，需要对其可行性进行更多研究。第二种方法依赖于抑制致病性tRNA，例如tRNA-Arg（反密码子TCT）4-1，已经被作者所在的小组鉴定为与METTL1致癌活性相关的关键tRNA。调节肿瘤中tRNA-Arg（反密码子TCT）4-1水平的潜在策略包括使用靶向针对此tRNA的小分子物质、对RNA进行干扰或使用反义寡核苷酸阻断tRNA功能。由于其高细胞丰度和稳定性，tRNA通常被认为是与细胞增殖和细胞周期控制密切相关的管家分子。然而，tRNA受到高度调控，即使其丰度或核苷酸修饰水平的微小变化也会产生深远的影响，导致翻译异常、蛋白质表达和疾病状态发生变化。越来越多的证据表明，异常的tRNA可以驱动各种不同的人类病理改变，包括促肿瘤发生程序和神经退行性疾病。尽管如此，我们目前对许多tRNA修饰和相应修饰酶的作用的理解还是有限的。现有数据强调tRNA表观转录组和功能性tRNA库是人类基因组翻译中的重要调控层。随着能够检测和量化tRNA修饰和tRNA丰度的新高通量技术（包括RNA测序方法和RNA质谱）的发展，我们预计可获得更多对生理和疾病状态下的表观转录组和tRNA组的了解。我们设想，就像mRNA和microRNA一样，以tRNA为重点的分析将成为常规多组学研究的一部分，旨在确定潜在的治疗目标以及早期诊断的生物标志物。
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