真核細(xì)胞翻譯起始因子5A（eIF5A）研究進(jìn)展

雙 寶，韓英鵬，李 明，李文濱*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

人們對(duì)細(xì)胞凋亡的研究過程中發(fā)現(xiàn)除了一些轉(zhuǎn)錄因子以外，在植物的木質(zhì)部的發(fā)生和對(duì)病原體的過敏反應(yīng)以及衰老等過程中，細(xì)胞的死亡或其他的生理變化還被一些調(diào)控翻譯的因子所調(diào)節(jié)，其中最值得關(guān)注的就是真核細(xì)胞翻譯起始因子5A（eIF5A）[1]。

真核細(xì)胞翻譯起始因子5A（eIF5A）原名是eIF-4D，最早是從兔子網(wǎng)狀紅血球的核糖體上分離純化出的一個(gè)分子質(zhì)量較?。?6～18 ku）[2]的真核生物和古生菌當(dāng)中最保守蛋白之一[3]。它對(duì)細(xì)胞的持續(xù)性增殖起著關(guān)鍵性作用。盡管eIF5A在蛋白合成和其他細(xì)胞途徑中扮演的確切角色還不清楚，但普遍認(rèn)同的假說認(rèn)為，eIF5A是輔助核糖體具有mRNA特異性的翻譯因子[4]，能夠刺激核糖體發(fā)揮功能[2]。除此之外，還有關(guān)于運(yùn)輸HIV-mRNA和mRNA的穩(wěn)定性等功能的報(bào)道[5]。近年來發(fā)現(xiàn)，eIF5A還在細(xì)胞衰老和死亡以及一些植物環(huán)境脅迫應(yīng)答方面有一定的作用，從而使人們更加關(guān)注eIF5A功能的研究，本文就這方面的研究進(jìn)展做一綜述。

1 真核細(xì)胞翻譯起始因子5A（eIF5A)的激活

未經(jīng)翻譯后修飾的eIF5A是無活性的，eIF5A是唯一一個(gè)被認(rèn)知的含有翻譯后修飾形成的氨基酸衍生物羥腐氨酸[Hypusine，Nε-（4-氨基丁基-2-羥丁基）]賴氨酸的蛋白質(zhì)[6]。而羥腐氨酸的合成在基因翻譯后水平上分兩步進(jìn)行。第一步，脫氧羥腐氨酸合成酶（DHS，EC 2.5.1.46）在以NAD+為輔助因子的情況下，催化多氨基亞精胺的氨基丁基部分轉(zhuǎn)化成一個(gè)ε－氨基酸族的單一保守的賴氨酸殘基（存在于人類eIF5A中的Lys50），從而使其變成脫氧羥腐氨酸；第二步，脫氧羥腐氨酸殘基中加上的4-氨基丁基端鏈上的二號(hào)碳在被依賴Fe（II）的脫氧羥腐氨酸羥化酶（EC 1.14.99.29）羥基化，完成羥腐氨酸的合成及eIF5A的激活，如圖1所示[7]。

圖1 eIF5A中羥腐氨酸生物合成的途徑Fig.1 Scheme of hypusine biosynthesis in eIF5A

2 真核細(xì)胞翻譯起始因子5A（eIF5A）的功能

2.1 起始蛋白質(zhì)合成與核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

eIF5A最初在一個(gè)多核糖體結(jié)合的片段上被分離出來，是作為翻譯因子的身份出現(xiàn)的[8]。它可能涉及第一個(gè)肽鍵的生成，酵母菌eIF5A在蛋白質(zhì)合成中起關(guān)鍵的起始作用，它將與Met-tRNAi結(jié)合的eIF-2帶離48S核糖體，組裝60S核糖體，形成80S核糖體復(fù)合體并帶有methionyl-tRNAi[9]，隨即起始第一個(gè)肽鍵形成[10]。但是近期的體內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)已清楚表明，eIF5A不是大多數(shù)蛋白的起始因子。在沒有eIF5A活性的酵母中，并不是所有蛋白質(zhì)都不能合成，而是蛋白質(zhì)合成僅下降了30%。這說明翻譯的起始和延長(zhǎng)可以在沒有eIF5A或其濃度很低的情況下進(jìn)行。但是eIF5A缺失的酵母最終是致死的[4-5]，一個(gè)明顯的缺陷就是它的mRNA受損降解，尤其是那些生活周期短的mRNA[5]。有活性的eIF5A表現(xiàn)出促進(jìn)特殊mRNA翻譯的作用，DHS被滅活的酵母細(xì)胞不能分裂，而只是增大[11]。更多的證據(jù)表明，eIF5A通過促進(jìn)特殊mRNA的核輸出來促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[12]。也有人提出eIF5A作用涉及mRNA的轉(zhuǎn)移[10]。植物eIF5A基因亞型的發(fā)現(xiàn)說明了不同的亞型促進(jìn)了特殊生理學(xué)功能所需要的mRNA的翻譯。這些特殊生理學(xué)功能中包括光合作用[7]。

有人推測(cè)eIF5A可能是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。雖然eIF5A本身沒有核定位信號(hào)（NLS），但其C端包含一段富含亮氨酸的結(jié)構(gòu)域，與核運(yùn)出信號(hào)（NES）極為相似[13]；電轉(zhuǎn)化GFPeIF5A瞬時(shí)轉(zhuǎn)染培養(yǎng)細(xì)胞后，通過免疫熒光與免疫膠體金電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)起初eIF5A分布于全細(xì)胞，之后逐漸集中于細(xì)胞質(zhì)，突變的eIF5A則分布于整個(gè)細(xì)胞[14-15]，因而認(rèn)為eIF5A具有核質(zhì)穿梭功能。也有研究不支持上述觀點(diǎn)，認(rèn)為eIF5A并不穿梭于細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間，可能與ER相互作用影響蛋白質(zhì)合成[16]；在eIF5A細(xì)胞亞定位研究中發(fā)現(xiàn)，eIF5A并不參與HIV Rev蛋白的核運(yùn)出[17]。所以eIF5A是否具有核質(zhì)穿梭能力，目前還沒有定論。

2.2 促進(jìn)細(xì)胞增殖

eIF5A刺激乙硫磷化嘌呤霉素的合成反應(yīng)的活性是需要羥腐氨酸（Hypusine）的，而乙硫磷化嘌呤霉素的合成反應(yīng)是測(cè)驗(yàn)第一肽腱形成的模式分析方法[18]。修飾過的eIF5A對(duì)哺乳動(dòng)物[19]、酵母[20]、古細(xì)菌[21]的持續(xù)性細(xì)胞繁殖都很重要。不論對(duì)酵母Saccharomyces cerevisiae eIF5A基因（TIF51A和TIF51B）的破壞還是用沉默的eIF5A基因（第50個(gè)賴氨酸突變成精氨酸）替換都會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)停滯。同樣，單一DHS基因的失活或用編碼失活酶蛋白的基因替換時(shí)也會(huì)使酵母停止生長(zhǎng)，所以eIF5A是細(xì)胞增殖所必需的[11]。

DHS有效的抑制劑和脫氧羥腐氨酸羥化酶抑制劑表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制增殖的作用，并且使包括多種人體癌細(xì)胞系在內(nèi)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞停留在細(xì)胞周期的某一時(shí)期[22]。作為對(duì)抗癌藥物干擾素α（IFNα）的反應(yīng)，羥腐氨酸合成的減弱看上去是伴隨著對(duì)細(xì)胞調(diào)亡的誘導(dǎo)而產(chǎn)生的。此外，DHS的抑制劑，N1-脒基-1，7－二氨基戊烷在抑制細(xì)胞生長(zhǎng)和引起調(diào)亡中表現(xiàn)出同IFNα的協(xié)同性[1]。與此同時(shí)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)暗示著eIF5A與細(xì)胞的增殖和表達(dá)失常有著密切的關(guān)系，可能從而就導(dǎo)致細(xì)胞的癌變。

DHS突變的酵母中，細(xì)胞停止生長(zhǎng)，細(xì)胞體積增大，所以eIF5A被DHS修飾為有活性的形式對(duì)細(xì)胞增殖是必需的[11]。在對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究中，羧腐氨酸的合成速率或者合成時(shí)間（即eIF5A活化過程）與細(xì)胞的分裂進(jìn)程緊密相關(guān)，所以它可能在細(xì)胞分裂增殖過程中有著重要作用[8,11]。當(dāng)eIF5A在酵母細(xì)胞中缺失時(shí)，G1期捕獲細(xì)胞數(shù)目增加，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中羥腐氨酸累積，使得細(xì)胞增殖被抑制[23]。在細(xì)胞周期中肌動(dòng)蛋白的極性化是G1/S轉(zhuǎn)化期必需的，而被DHS活化的eIF5A參與建立肌動(dòng)蛋白的極性，就是說eIF5A是細(xì)胞周期中G1期到S期轉(zhuǎn)化的必需的因子之一[24]。

在玉米的卵細(xì)胞周期中，eIF5A表達(dá)方式也與體細(xì)胞周期中的不同：在G0期的卵細(xì)胞中高水平轉(zhuǎn)錄，而得到的懸浮細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄水平較低。在體細(xì)胞周期中，eIF5A在G1期被強(qiáng)烈誘導(dǎo)，在S、G2和M期持續(xù)減少，直到下一個(gè)周期的G1期重新誘導(dǎo)[25]。

2.3 調(diào)控細(xì)胞衰老、細(xì)胞死亡及抵抗環(huán)境脅迫

在植物中，迄今為止人們已經(jīng)從擬南芥[26]、紫花苜蓿[27]、煙草[7]、玉米[25]、番茄[28]和水稻[29]中分離了eIF5A基因。已有文獻(xiàn)表明eIF5A的表達(dá)存在間歇和短暫的差異，抑制eIF5A的活性將會(huì)導(dǎo)致多重作用。轉(zhuǎn)錄分析表明，煙草中的兩個(gè)的eIF5A基因NeIF5A1和NeIF5A2的表達(dá)存在差異。NeIF5A1更傾向于在光合作用的組織中表達(dá)，而NeIF5A2則是在所有檢測(cè)的植物組織中組成型表達(dá)[7]。兩種水稻的eIF5A基因，OseIF5A1和OseIF5A2，在水稻的葉子和花序中都表達(dá)，而且在衰老的葉子中，這兩種基因都有較高的表達(dá)量。另外，在水稻葉子的發(fā)育期間OseIF5A1和OseIF5A2都有間歇的調(diào)控[29]。近期，人們?cè)诜呀M織中發(fā)現(xiàn)了eIF5A的表達(dá)與細(xì)胞的程序死亡存在相關(guān)性，所以認(rèn)為羥腐氨酸修飾的eIF5A可能促進(jìn)細(xì)胞程序死亡所需要的mRNA的翻譯[28]。在衰老的番茄花、子葉、果實(shí)以及因環(huán)境脅迫而發(fā)生細(xì)胞程序性死亡的葉片中，DHS和eIF5A及它們的同源蛋白的轉(zhuǎn)錄水平明顯增加，由此推斷eIF5A可能參與植物自然衰老及環(huán)境誘導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡[30]；在擬南芥上的試驗(yàn)結(jié)果表明，DHS和eIF5A在衰老的葉片中有兩個(gè)表達(dá)高峰，可能與葉片細(xì)胞死亡過程中生物大分子分解及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)重新分配有關(guān)；通過組成型表達(dá)一個(gè)反義DHS基因來降低擬南芥中內(nèi)源DHS蛋白和相應(yīng)活化的eIF5A的水平，這對(duì)擬南芥的生長(zhǎng)和發(fā)育產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響，例如，延緩了葉子的衰老，增加了抗旱性，增強(qiáng)了種子的產(chǎn)量[26]。此外在成熟的鳳梨果實(shí)中檢測(cè)到eIF5A的大量表達(dá)[31]。Thompson等發(fā)現(xiàn)擬南芥中存在3個(gè)表達(dá)特征不同的eIF5A編碼基因[32]，Western雜交分析表明，eIF5A1只在衰老組織中表達(dá)，eIF5A2在受機(jī)械損傷的組織中高水平表達(dá)，而eIF5A3在細(xì)胞分裂很活躍的吸脹的種子中高水平表達(dá)。過量表達(dá)eIF5A3的擬南芥中，花瓣從正常的4瓣變成5瓣，葉子變?yōu)椴⑸~，種子變大，為原來的2倍，這說明eIF5A3可能在發(fā)育早期就可促進(jìn)細(xì)胞分裂。這項(xiàng)研究暗示植物中不同eIF5A異構(gòu)體分別與細(xì)胞分裂或細(xì)胞死亡有關(guān)，即在擬南芥中有兩種eIF5A異構(gòu)體與細(xì)胞死亡有關(guān)，而另一種eIF5A與細(xì)胞分裂有關(guān)，認(rèn)為eIF5A與植物的生長(zhǎng)和發(fā)育相關(guān)，eIF5A調(diào)控植物細(xì)胞的衰老。

最近的一項(xiàng)研究表明，擬南芥中三種eIF5A基因之一的擬南芥eIF5A2顯示出能夠調(diào)控由有毒力的Pst DC3000侵染所引起的細(xì)胞程序死亡。AteIF52組成型過量表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株確實(shí)表現(xiàn)出了與早熟型細(xì)胞死亡相一致的表型。這些結(jié)果說明在植株中，擬南芥eIF5A2是引起細(xì)胞程序死亡的信號(hào)傳導(dǎo)途徑的一個(gè)關(guān)鍵因素[33]。

3 結(jié)語

eIF5A基因發(fā)現(xiàn)至今，一直受到廣泛關(guān)注，包括動(dòng)、植物，人體內(nèi)的eIF5A不斷被克隆和分析。最受關(guān)注的熱點(diǎn)研究方向主要集中在人體eIF5A在癌癥細(xì)胞發(fā)育中的作用以及相關(guān)領(lǐng)域的研究和植物eIF5A基因在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的重要作用以及相關(guān)應(yīng)用方向的初步研究。

就eIF5A的功能而言，以蛋白質(zhì)合成起始功能為基礎(chǔ)，通過促進(jìn)一些特異mRNA的轉(zhuǎn)移及相關(guān)特異基因的表達(dá)來促進(jìn)細(xì)胞的增殖或者細(xì)胞的衰老、死亡，或者產(chǎn)生環(huán)境脅迫的應(yīng)答和抵抗能力。

在很多植物種的研究過程中發(fā)現(xiàn)，eIF5A基因往往存在2～4個(gè)亞型不等，而初步研究證明其每種亞型在生物體內(nèi)的功能都有所不同。所以，對(duì)每個(gè)物種體內(nèi)的eIF5A基因所有異構(gòu)體進(jìn)行克隆和功能的進(jìn)一步研究，并通過促進(jìn)某些亞型的表達(dá)或者抑制某些亞型的表達(dá)，有可能獲得產(chǎn)量提高或者對(duì)環(huán)境脅迫的抗性強(qiáng)化的品種，實(shí)現(xiàn)eIF5A基因在生產(chǎn)實(shí)際中的有效應(yīng)用。

[1]Caraglia M,Marra M,Giuberti G,et al.The eukaryotic initiation factor 5A is involved in the regulation of proliferation and apoptosis induced by Interferon-alpha and EGF in human cancer cells[J].Biochem(Tokyo),2003,133(6)∶757-765.

[2]Kemper W M,Berry K W,Merrick W C.Purification and properties of rabbit reticulocyte protein synthesis initation factors M2Balpha and M2Bbeta[J].Biol Chem,1976,251∶5551-5557.

[3]Gordon E D,Mora R,Meredith S C,et al.Eukaryotic initiation factor 4D,the hypusine-containing protein,is conserved among eukaryotes[J].Biol Chem,1987,262∶16585-16589.

[4]Kang H A,Hershey J W.Effect of initiation factor 5A depletion on protein synthesis and of Saccharomyces cerevisiae[J].Biol Chem,1994,269∶3934-3940.

[5]Zu K D,Jacobson A.A single amino acid substitution in yeast eIF-5A results in mRNA stabilization[J].EMBO,1998,17∶2914-2925.

[6]Caraglia M,Marra M,Giuberti G,et al.The role of eukaryotic initiation factor 5A in the control of cell proliferation and apoptosis[J].Amino Acids,2001,20∶91-104.

[7]Chamot D,Kuhlemeier C.Differential expression of genes encoding the hypusine-containing translation initiation factor,eIF-5A,in tobacco[J].Nucl Acids Res,1992,20∶665-669.

[8]Park M H.The post-translational synthesis of a polyamine-derived amino acid,hypusine,in the eukaryotic translation initiation factor 5A(eIF5A)[J].Journal of Biochemistry(Tokyo),2006,139(2)∶161-169.

[9]Robert E R.Regulation of eukaryotic protein synthesis by initition factors[J].Biol Chem,1993,15∶3017-3020.

[10]Hershey J W.Translational control in mammalian cells[J].Annu Rev Biochem,1991,60∶717-755.

[11]Park M H,Joe Y A,Kang K R.Deoxyhypusine synthase activity is essential for cell viability in the yeast Saccharomyces cerevisiae[J].Biol Chem,1998,273∶1677-1683.

[12]Bevec D,Hauber J.Eukaryotic initiation factor 5A activity and HIV-1 Rev function[J].Biol Signals,1997,6(3)∶124-133.

[13]PollardV W,Malim M H.The HIV-1 Rev protein[J].Annu Rev Microbiol,1998,52∶491-532.

[14]Rosorius O,Reichart B,Kratzer F,et al.Nuclear pore localization and nucleocytoplasmic transport of eIF-5A∶evidence for direct interaction with the export receptor CRM1[J].J Cell Sci,1999,112(Pt14)∶2369-2380.

[15]何昆,周濤,靳寶鋒,等.eIF5A的亞細(xì)胞定位研究[J].軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院院刊,2003,27∶330-333.

[16]Shi X P,Yin K C,Waxman L.Effects of inhibitors of RNA and protein synthesis on the subcellular distribution of the eukaryotic translation initiation factor,eIF-5A,and the HIV-1 Rev protein[J].Biol Signals,1997,6(3)∶143-149.

[17]Valentini S R,Casolari J M,Oliveira C C,et al.Genetic interactions of yeast eukaryotic translation initiation factor 5A(eIF5A)reveal connections to poly(A)-binding protein and protein kinase C signaling[J].Genetics,2002,160(2)∶393-405.

[18]Smit-McBride Z,Schnier J,Kaufman R J,et al.Protein synthesis initiation factor 4D∶functional analysis of native and unhypusinated forms of the protein[J].J Biol Chem,1989,264∶18527-18530.

[19]Chen Z P,Yan Y P,Ding Q J,et al.Effects of inhibitors of deoxyhypusine synthase on the differentiation of mouse neuroblastoma and erythroleukemia cells[J].Cancer Lett,1996,105∶233-239.

[20]Magdolen V,Klier H,Lottspeich F.The function of the hypusinecontaining proteins of yeast and other eukaryotes is well conserved[J].Mol Gen Genet,1994,244∶646-652.

[21]Jansson B P M,Malandrin L,Johansson H E.Cell-cycle arrest in archaea by the hypusination inhibitor N1-guanyl-1,7-diaminoheptane[J].Bacteriol,2000,182∶1158-1161.

[22]Clement P M.,Hanauske-Abel H M,Wolff E C,et al.The antifungal drug ciclopirox inhibits deoxyhypusine and proline hydroxylation,endothelial cell growth and angiogenesis in vitro[J].Int J Cancer,2002,100∶491-498.

[23]Wolff E C,Kang K R,Kim Y S,et al.Posttranslational synthesis of hypusine∶evolutionary progression and specificity of the hypusine modification[J].Amino Acids,2007,33∶341-350.

[24]Zanelli C F,Valentini S R.Pkc1 acts through Zds1 and Gic1 to suppress growth and cell polarity defects of a yeast eIF5A mutant[J].Genetics,2005,171(4)∶1571-1581.

[25]Dresselhaus T,Cordts S,L?rz H.A transcript encoding translation initiation factor eIF-5A is stored in unfertilized egg cells of maize[J].Plant Mol Biol,1999,39(5)∶1063-1071.

[26]Wang T W,Lu L,Zhang C G,et al.Pleiotropic effects of suppressing deoxyhypusine synthase expression in Arabidopsis thaliana[J].Plant Mol Biol,2003,52∶1223-1235.

[27]Pay A,Heberle-Bors E,Hirt H.Isolation and sequence determination of the plant homologue of the eukaryotic initiation factor 4D cDNA from alfalfa,Medicago sativa[J].Plant Mol Biol,1991,17∶927-929.

[28]Wang T W,Lu L,Wang D,et al.Isolation and characterization of senescence-induced cDNAs encoding deoxyhypusine synthase and eucaryotic translation initiation factor 5A from tomato[J].Biol Chem,2001,276(20)∶17541-17549.

[29]Chou W C,Huang Y W,Tsay W S,et al.Expression of genes encoding the rice translation initiation factor,eIF5A,is involved in developmental and environmental responses[J].Physiologia Plantarum,2004,121(1)∶50-57.

[30]Xu A,Jao D L,Chen K Y.Identification of mRNA that binds to eukaryotic initiation factor 5A by affinity co-purification and differential display[J].Biochem,2004,384(Pt3)∶585-590.

[31]Moyle R,Fairbairn D J,Ripi J,et al.Developing pineapple fruit has a small transcriptome dominated by metallothionein[J].J Exp Bot,2005,56(409)∶101-112.

[32]Thompson J E,Hopkins M T,Taylor C,et al.Regulation of senescence by eukaryotic translation initiation factor 5A∶implications for plant growth and development[J].Trends Plant Sci,2004,9(4)∶174-179.

[33]Hopkins M T,Lampi Y,Wang T W,et al.Eukaryotic translation initiation factor 5A is involved in pathogen-induced cell death and development of disease symptoms in Arabidopsis[J].Plant Physiol,2008,148(1)∶479-489.