癌症是全球主要的公共衛生問題之一，是由不正常的細胞增殖引起的。根據北京大學生命科學學院杜鵬研究員領導的科學家團隊最近進行的研究，發現一種植物免疫蛋白能夠通過緩解微RNA的缺乏來實現廣泛的抗腫瘤反應，從而提供了一種強大的抗癌“武器”。
微小核糖核酸MicroRNA（miRNA）一直被認為與致癌作用密切相關。哺乳動物的成熟miRNA雙鏈上有 2-nt 3′端突出端，可以被Argonaute（AGO）識別並加載，形成RNA誘導沉默複合物（RISC），以調節靶基因的表達。事實上，全球miRNA的劑量減少被認為是癌症的原因之一。
細胞周期的過度激活是癌細胞異常增殖的一個必要條件。令人驚訝的是，許多miRNA可以直接靶向並抑制細胞周期基因以控制細胞增殖。因此，通過修復腫瘤中缺陷的miRNA途徑來抑制腫瘤細胞的增殖將是一種新的腫瘤治療策略。
與miRNA不同，siRNA來自不同的RNA依賴性聚合酶（RDR）所合成的雙鏈RNA底物。植物中依賴RDR1的siRNA是獨特的核心分子免疫反應途徑之一，特別是參與抗病毒免疫反應。因此，杜鵬的團隊旨在從動物和植物免疫系統的差異出發，在哺乳動物中開展基於植物RDR1的植物基因工程，研究其在轉化醫學中的應用。
杜鵬教授的團隊最近在《細胞》雜誌上發表了他們的研究結果，介紹了不能有效地與AGO2複合物的1-nt短3′端結合的miRNA異構體在人類原發性癌症和癌細胞系的不同樣本中廣泛積累。RDR1作為異位表達的植物免疫蛋白，通過其單核苷酸尾巴修飾AGO2的這些雙鏈遊離miRNA異構體，重新激活有缺陷的miRNA途徑，特異性地阻斷實體瘤和白血病的癌細胞循環。
研究人員有4個主要發現。首先，RDR1蛋白通過靶向細胞周期抑制了癌細胞的增殖。作者將擬南芥（At）和水稻（Os）的RDR1基因分別克隆到由Dox誘導的慢病毒載體中，並驗證了其在哺乳動物細胞中的成功異位表達。在分子水平上，基於RNA-seq的基因集富集分析（GSEA）顯示，At和Os中的RDR1可以干擾所有癌症細胞系的周期過程，而在非癌症對照細胞中沒有明顯影響。作者認為，RDR1是一種外源性的腫瘤抑制因子，可以特異性地靶向干擾癌細胞的周期過程而不影響非癌細胞。
At和Os中的RDR1對癌細胞增殖有廣譜和特異的抑制作用，而對非癌細胞系沒有影響。
其次，1-nt短3′端 miRNA異構體在各種腫瘤中廣泛積累。作者提出，植物RDR1可以通過增加全局miRNA的表達來抑制細胞周期和增殖，以通過敲除和AGO2-CLIP的miRNA途徑的關鍵組件來特異性地恢復癌細胞中的miRNA缺乏。而通過對已發表的miRNA測序數據和AGO2-IP的miRNA測序的系統分析，作者認為異常的短1-nt雙鏈miRNA異構體在癌細胞中進入AGO2並不是那麼有效和穩定，所以可能與不同腫瘤中miRNA劑量的減少有關。
第三，RDR1通過單核苷酸去尾修復癌症中的miRNA異構體。通過體外生化實驗，作者直接證明rAtRDR1可以通過3’端單核苷酸修飾單鏈miRNA和1-nt或2-nt懸空的雙鏈miRNA，但不能修飾平端雙鏈miRNA。作者還證明，具有核苷酸轉移酶活性的RDR1可以通過單核苷酸修飾從AGO2中分離出來的短的1-nt雙鏈miRNA異構體，從而恢復其對AGO2的裝載效率，最終修復癌症中miRNA途徑的缺陷。
最後，RDR1抑制了各種小鼠實體瘤和白血病的發展。作者在免疫缺陷和體內白血病的小鼠模型中驗證了植物RDR1的抗腫瘤作用。最後，通過納米囊袋包裝和AAV包裝的體外純化的RDR1蛋白分別在體外細胞和體內實體瘤水平上實現了直接遞送和抑制腫瘤。
該研究首次揭示了異常的3’端短1-nt miRNA異構體在各種人類原發性腫瘤中廣泛積累，這為腫瘤發生過程中全球miRNA劑量的減少提供了新的見解。利用RDR1，我們通過修復癌細胞中的miRNA缺陷實現了廣譜抗腫瘤反應，並開發了編輯和操縱miRNA的新策略，使其成為抗癌的有力武器。