真核细胞中，绝大多数基因的初始转录产物——前体mRNA（pre-mRNA）必须经过剪接等加工过程，才能形成成熟的mRNA。在pre-mRNA成熟过程中，可变剪接（alternative splicing,AS）通过去除pre-mRNA内含子，使特定外显子相互连接，经过后续修饰加工等过程形成成熟的mRNA。单个基因能够利用多个切割和多聚腺苷酸化信号（PAS），产生两个或多个具有不同3’末端的mRNA转录本。因此，选择性多聚腺苷酸化（APA）在控制mRNA的稳定性、定位、翻译、蛋白质编码和蛋白质定位方面至关重要。本文主要介绍了APA及其功能、与疾病的关系、相关基金项目、文献分享等。
APA及其功能概述
APA是指具有多个PAS的基因，在其mRNA 3’端成熟过程中，由于选择不同的PAS，导致产生出多个3’UTR长度和序列组成不同的转录异构体。APA是真核生物的一个重要转录后调控方式。它广泛存在于所有真核生物中，是基因调控的主要机制。APA具有组织特异性，对细胞的增殖和分化具有重要意义。
图1APA示意图
APA的功能
APA调控主要影响目标mRNA的稳定性和翻译效率以及翻译后蛋白质的细胞定位，进而精细调节基因表达。
APA影响mRNA稳定性
3’UTR包含被RBP、miRNAs和lncRNAs特异性识别的顺式元件。miRNAs可以与mRNA的3’UTR结合，并在转录后水平上调控基因表达。它们通过翻译抑制和降解mRNA来调节其结合mRNA的翻译和稳定性。由于3’UTR中存在APAs，产生了不同3’端异构体。这种机制可以改变3’UTR所包含的miRNA结合位点。
APA对mRNA翻译的影响
除了包含决定mRNA稳定性的序列外，3’UTR还包括与调节mRNA翻译的因子相互作用的元件。APA对mRNA翻译的影响的研究已经报道较长的异构体通常结合在多聚体组分中，并具有更高的翻译效率。未受刺激的海马神经元主要包含一种脑源性神经营养因子（BDNF）亚型，具有更短的3’UTR，而更长、更有效翻译的3’UTR亚型只在神经元激活或分化后存在。
mRNA的核输出和定位
3’UTR相关的RBPs和运动蛋白之间的相互作用可以促进转录本动员到不同的亚细胞隔间。~10%的3’UTR APA亚型在细胞核和细胞质之间的分布差异，长3’UTR亚型通常在细胞核中富集。3’UTR APA也会导致细胞质内的定位差异，因为长3’UTR有助于mRNA定位到内质网（ER），并加速膜蛋白的表达。
蛋白质定位
3’UTR的APA可以影响不同3’UTR长度的mRNA转录本产生的蛋白质的定位，而不依赖于mRNA的定位。3’UTR APA对CD47蛋白定位有影响。具有短3’UTR和长3’UTR的CD47亚型编码相同的蛋白质。由较短的亚型蛋白编码的蛋白质定位于内质网，而由较长的亚型蛋白编码的蛋白质定位于质膜。
图2APA的功能
APA与多种疾病相关
目前已知绝大多数的真核生物基因都存在APA。作为基因表达的一个重要调控机制，APA的异常与人类疾病密切相关。目前发现，血液、免疫、神经、癌症等多种疾病与APA的异常相关。
癌症
正常细胞中癌基因通常使用远端PAS形成长3’UTR亚型，而肿瘤细胞往往使用近端PAS而形成短3’UTR亚型。3’UTR的缩短可能显著减少了miRNA的抑制作用，使mRNA更趋于稳定，翻译效率显著提高，使相关基因蛋白质表达水平升高。乳腺癌肿瘤样本的PAS-seq测序分析发现，ER阳性乳腺癌组织中PRELID1基因mRNA的3’UTR显著缩短(PRELID1短亚型)，与PRELID1长亚型相比，PRELID1短亚型显著提高PRELID1基因mRNA稳定性和翻译效率，随着PRELID1表达水平的提高，肿瘤细胞生长速度加快，肿瘤患者生存率显著降低。
神经退行性疾病
在阿尔兹海默症(AD)患者中，微管相关蛋白的Tau基因选择利用近端PAS，避免了miR-34a的抑制作用，导致TAU蛋白的表达增加，加剧神经元内TAU蛋白凝聚，造成神经纤维缠结。在帕金森疾病(PD)患者中，细胞内多巴胺会促进α-突触蛋白(α-synuclein)基因产生长3’UTR亚型转录本，增强了α-突触蛋白转录本的稳定性和蛋白表达水平，造成α-突触蛋白由突触末端向线粒体和细胞体转移，蓄积的α-突触蛋白形成路易小体。
免疫
在动脉粥样硬化、II型糖尿病、结肠炎和关节炎等慢性炎症疾病患者中，炎症反应因子NLRP3的短3ʹUTR亚型转录本的表达水平较高，NLRP3的短3’UTR亚型转录本可逃避TTP和miR-223的负调控，导致NLRP3蛋白表达升高，诱导机体发生炎症反应。
血液疾病
在地中海贫血患者中，α2-globin和β-globin基因近端PAS的突变和缺失造成了远端PAS选择利用的增加；同样发现，在静脉血栓患者中，近端PAS突变引起的凝血酶原基因远端PAS的利用增加。在急性粒细胞白血病患者中，CPSF160的表达显著高于健康人群，造成白血病相关的融合基因产生高稳定性的短3’UTR亚型转录本，促进白血病细胞生长。
国自然中标基金
近两年与APA相关的国自然中标基金题目部分如下：
由上述APA相关国自然中标基金可知，APA是目前国自然申请及高分文章发表的新前沿，其在肿瘤发展与耐药、心肌梗死、肺纤维化、糖尿病心肌病、肾纤维化等疾病中均可能发挥作用，为众多生理病理过程的进一步研究提供一种新的思路和调控机制。比如APA如何影响肿瘤细胞的快速增殖和耐药性，APA参与心脑疾病的发生以及具体机制是什么，APA如何调控机体的免疫反应等等。
文章案例
1.CYCLIN K下调驱动的AR基因APA参与调控前列腺癌耐药性
雄激素受体（AR）mRNA选择性剪接变异体（AR-Vs）与前列腺癌（PCa）的去势抗性进展有关，但是AR-Vs发生的分子机制仍不清楚。2022年8月9日，梅奥诊所医学院黄浩杰教授团队在PNAS上发表了题为CYCLIN K down-regulation induces androgen receptorgene intronic polyadenylation, variant expression and PARPinhibitor vulnerability in castration-resistant prostate cancer的研究论文。该研究揭示了激素治疗诱导的CYCLIN K下调是驱动AR基因中内含子多聚腺苷化（IPA）和前列腺癌中AR-V表达和去势抗性的关键机制，这种作用机制可以被PARP抑制剂治疗靶向。
该研究发现CDK12的药理抑制或基因失活诱导了AR基因的IPA事件、AR-V的表达以及PCa细胞对抗雄激素药物ENZ的耐药性。研究进一步发现AR与CCNK基因启动子结合，并上调了CYCLIN K的表达。相反，ENZ降低了CCNK基因启动子上的AR占用，并抑制了CYCLIN K的表达。与CDK12抑制剂的作用类似，CYCLIN K降解剂或ENZ处理促进了AR基因IPA、AR-V的表达和PCa细胞对ENZ耐药性。PARP抑制剂靶向CYCLIN K下调诱导的BRCAness克服了ENZ耐药性。
图3科学假说图
2.NUDT21调控CD19 mRNAAPA和稳定性参与B-ALL耐药
2022年9月22日，纽约大学医学院Aifantis团队在Natureimmunology上发表了题为：NUDT21 limits CD19 levels through alternative mRNA polyadenylation in B cell acute lymphoblastic leukemia的研究论文。该研究揭示了RNA结合蛋白NUDT21通过调节CD19 mRNA多聚腺苷化和稳定性来抑制CD19的表达调控B淋巴母细胞白血病（B-ALL）CAR-T和贝林妥欧单抗耐药性。
该研究发现了转录激活因子ZNF143在CD19启动子激活中的关键作用。RNA结合蛋白NUDT21通过调节CD19 mRNA多聚腺苷化和稳定性来抑制CD19的表达。在B-ALL细胞中，NUDT21的缺失增加了CD19的表达，以及对CD19特异性CAR-T和贝林妥欧单抗的敏感性。在使用CAR-T和贝林妥欧单抗治疗的人类B-ALL患者中，疾病复发时NUDT21 mRNA的上调与CD19下调相一致。
总结
在过去的几年里，大量的研究丰富了我们对APA的认识，APA是调节基因表达的一个重要和广泛的机制。细胞中70%蛋白质编码基因3’UTR中含有保守的miRNA靶点，11%蛋白质编码基因3’UTR中含有RBP结合位点，APA通过调控3’UTR的长度，改变mRNA稳定性、定位和翻译效率，改变癌基因或抑癌基因的蛋白质表达水平及其功能定位。另一方面，APA能够形成丢失某些重要结构域的截短型蛋白，通过拮抗原有基因的功能参与疾病发生发展进程。因此，对APA形成机制的研究将为认识疾病发生发展提供新视角。
参考文献
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Zhang, Y., et al., Alternative polyadenylation: methods, mechanism, function, and role in cancer. J Exp Clin Cancer Res, 2021. 40(1): p. 51.
Yuan, F., et al., Alternative polyadenylation of mRNA and its role in cancer. Genes Dis, 2021. 8(1): p. 61-72.
Chen, W., et al., Alternative Polyadenylation: Methods, Findings, and Impacts. Genomics Proteomics Bioinformatics, 2017. 15(5): p. 287-300.
Sun, R., et al., CYCLIN K down-regulation induces androgen receptor gene intronic polyadenylation, variant expression and PARP inhibitor vulnerability in castration-resistant prostate cancer. Proc Natl Acad Sci U S A, 2022. 119(39): p. e2205509119.
Witkowski, M.T., et al., NUDT21 limits CD19 levels through alternative mRNA polyadenylation in B cell acute lymphoblastic leukemia. Nat Immunol, 2022. 23(10): p. 1424-1432.
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