核糖體生物合成與腫瘤的研究進(jìn)展

錢麗麗，張紅河

0 引言

核糖體是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成重要的細(xì)胞器，影響細(xì)胞的正常功能。合成新核糖體的過程被定義為核糖體生物合成。核糖體生物合成是一個(gè)高度復(fù)雜和保守的過程，主要發(fā)生在核仁中[1]。核糖體生物合成包括核糖體RNA（ribosomal RNA,rRNA）轉(zhuǎn)錄、rRNA前體加工和核糖體亞基組裝的過程。在生物體中，除了rRNA和核糖體蛋白（ribosomal protein），還有超過300種非核糖體反式作用因子在核糖體生物合成的過程中發(fā)揮作用，它們也被稱為核糖體組裝因子[2]。

早期研究認(rèn)為，為了滿足腫瘤細(xì)胞持續(xù)生長，通過核糖體生物合成的增加來維持高效的蛋白質(zhì)合成效率是必需的，但是越來越多的研究表明核糖體生物合成的異常，包括核糖體數(shù)量的增加和修飾的改變可能會(huì)影響腫瘤的發(fā)生[3]。因此，核糖體生物合成與腫瘤發(fā)生發(fā)展息息相關(guān)。本文中我們將綜述核糖體生物合成過程及其與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系。

1 核糖體生物合成過程

作為細(xì)胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的重要細(xì)胞器，真核生物的核糖體由大小亞基組成，按照沉降系數(shù)，稱為60S大亞基和40S小亞基。核糖體的大小亞基均由rRNA與核糖體蛋白構(gòu)成。小亞基包含了18S rRNA和33種核糖體蛋白。而大亞基包含了5S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA以及47種核糖體蛋白。

核糖體生物合成過程見圖1（自繪）。在RNA聚合酶Ⅰ、選擇性因子1（selectivity factor 1,SL1）、上游結(jié)合因子（upstream binding factor,UBF）、轉(zhuǎn)錄起始因子1（transcription initiation factor 1,TIF-1A）和轉(zhuǎn)錄終止因子1（transcription termination factor 1,TTF-1）作用下，核糖體DNA（ribosomal DNA,rDNA）轉(zhuǎn)錄成47S pre-rRNA。47S pre-rRNA是由18S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA串聯(lián)組成的rRNA前體，這三種rRNA由轉(zhuǎn)錄間隔序列分隔開。rRNA轉(zhuǎn)錄的速率由RNA聚合酶Ⅰ的活性決定，并且rRNA的轉(zhuǎn)錄是核糖體生物合成的限速步驟[1]。而5S rRNA則是在核漿中由RNA聚合酶Ⅲ作用下轉(zhuǎn)錄得到。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)錄因子TFⅢC和TFⅢB是必需的。

圖1 核糖體生物合成的過程Figure 1 Process of ribosome biogenesis

Pre-rRNA轉(zhuǎn)錄本的成熟包括：剪切步驟和化學(xué)修飾。47S pre-rRNA需要經(jīng)過剪切，切除多余的轉(zhuǎn)錄間隔序列。并且在小核仁RNA（small nucleolar RNA,snoRNA）和核糖核蛋白（ribonucleoprotein,RNP）形成的復(fù)合物作用下，rRNA發(fā)生特定修飾，包括甲基化和假尿苷化修飾[4]，從而得到成熟的28S、18S和5.8S rRNA。這種rRNA的特定修飾，有利于rRNA的正確折疊以及與核糖體蛋白的結(jié)合[5]。

在pre-rRNA的加工過程中，核糖體組裝因子和核糖體蛋白會(huì)以協(xié)同的方式組裝到prerRNA上，形成前核糖體顆粒（pre-ribosomal particles）。28S、5.8S及5S rRNA與核糖體蛋白組成pre-60S亞基，18S rRNA與核糖體蛋白組成pre-40S亞基。核糖體組裝因子和核糖體蛋白是在細(xì)胞質(zhì)中生成，并通過核孔復(fù)合物被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核中參與核糖體的組裝[6]。

前核糖體顆粒形成后，通過出核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)?shù)竭_(dá)細(xì)胞質(zhì)后，前核糖體顆粒經(jīng)歷最終成熟過程，包括pre-rRNA的進(jìn)一步加工、剩余核糖體蛋白的組裝以及組裝和轉(zhuǎn)運(yùn)因子的釋放[6]，形成具有翻譯能力的核糖體。

核糖體生物合成是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，關(guān)于人類核糖體生物合成機(jī)制的研究尚未完善。近來對(duì)核糖體生物合成的深入研究有助于我們探討核糖體生物合成與腫瘤之間的關(guān)系。

2 腫瘤中核糖體生物合成的異常

由于腫瘤細(xì)胞代謝旺盛，生長和增殖能力增強(qiáng)，在腫瘤中核糖體生物合成異常頻繁發(fā)生，具體描述如下。

2.1 rDNA的不穩(wěn)定

人類rDNA在基因組中存在數(shù)百個(gè)拷貝，它們組成頭尾相連的串聯(lián)重復(fù)序列，形成基因簇。這些重復(fù)序列很不穩(wěn)定，彼此之間容易發(fā)生重組。轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生47S pre-rRNA的47S rDNA基因簇位于5對(duì)人類常染色體上，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生5S rRNA的5S rDNA基因簇位于1對(duì)人類常染色體上。在超過一半的肺癌和結(jié)直腸癌樣本中，檢測到rDNA基因簇的結(jié)構(gòu)改變，使這種基因組重排成為在成人實(shí)體腫瘤中最常見的特殊染色體改變之一[7]。對(duì)腫瘤和配對(duì)正常組織樣本的全基因組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，腫瘤中rDNA的拷貝數(shù)變異超過正常組織的十倍，并且大多數(shù)腫瘤都發(fā)生了47S rDNA拷貝數(shù)缺失和5S rDNA拷貝數(shù)擴(kuò)增[8]。在一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究中發(fā)現(xiàn)，rDNA拷貝數(shù)的變化與肺癌風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[9]。

2.2 rRNA合成異常

rRNA合成異常包括rRNA合成增加和rRNA修飾異常。在原發(fā)性結(jié)直腸癌組織中47S pre-rRNA的表達(dá)量明顯高于正常結(jié)直腸黏膜組織中47S prerRNA的表達(dá)量[10]。在大多數(shù)宮頸鱗狀上皮內(nèi)病變組織中發(fā)現(xiàn)rRNA表達(dá)水平高于正常組織，在大多數(shù)前列腺癌組織中也發(fā)現(xiàn)rRNA表達(dá)水平升高[11]。目前在腫瘤中rRNA修飾的研究還不是很多，但已有研究發(fā)現(xiàn)在侵襲性的乳腺癌細(xì)胞系中，rRNA特定位點(diǎn)的甲基化修飾增強(qiáng)。同時(shí)，參與rRNA修飾的修飾因子在多種腫瘤中的突變提示在腫瘤中rRNA修飾的異常[12]。

2.3 核糖體蛋白基因發(fā)生突變

已有研究報(bào)道，核糖體蛋白基因突變直接導(dǎo)致的核糖體疾病[13]會(huì)導(dǎo)致癌癥易感性綜合征：人類疾病戴-布二氏貧血（Diamond Blackfan Anemia）與核糖體蛋白基因RPS19、RPS17、RPS24、RPL35a、RPS7、RPL5和RPL11的突變有關(guān)，它的重要特征是再生障礙性貧血和易患白血病；RPS14的突變與急性髓系白血病的易感性有關(guān)[14]。近來一系列應(yīng)用全外顯子測序或者全基因組測序的研究[15]，在多種腫瘤中都發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白基因的突變相對(duì)頻繁，例如，子宮內(nèi)膜癌中RPL22的突變、在急性T細(xì)胞型淋巴細(xì)胞白血病中RPL10、RPL5、RPL11的突變、結(jié)直腸癌中RPS20的突變以及膠質(zhì)瘤中RPL5的突變。

2.4 核糖體蛋白表達(dá)的失調(diào)

在多種腫瘤中發(fā)現(xiàn)特定核糖體蛋白表達(dá)量上調(diào)，例如，RPL5、RPS3、RPS6、RPS8、RPS12在結(jié)直腸癌中表達(dá)量高于正常結(jié)直腸黏膜組織。在胃癌組織和細(xì)胞系中RPL15的表達(dá)量上調(diào)。在人類肝癌組織和細(xì)胞系中檢測到RPS8、RPL12、RPL23a、RPL27、RPL30 mRNA水平升高[16]。使用TCGA數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn)，與正常組織相比，腫瘤組織中核糖體蛋白表達(dá)水平的中位數(shù)增加了30%。并且許多核糖體蛋白僅在特定腫瘤中表現(xiàn)出明顯的失調(diào)，例如：RPL21L1和RPS27L在乳腺癌和甲狀腺癌中表達(dá)上調(diào)，而RPL21表達(dá)下調(diào)[17]。

以上是腫瘤中核糖體生物合成的異常情況。值得一提的是，在正常組織干細(xì)胞中也具有較高的rRNA合成速率，意味著干細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞都具有活躍的核糖體生物合成。并且與腫瘤細(xì)胞類似地，干細(xì)胞中的核糖體生物合成會(huì)促使核糖體選擇性翻譯mRNA從而調(diào)控特定基因的表達(dá)[18]。然而，干細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞之間核糖體生物合成存在差異性，表現(xiàn)為：在腫瘤細(xì)胞中，核糖體生物合成異常頻繁發(fā)生，這種失調(diào)會(huì)打破蛋白質(zhì)合成穩(wěn)態(tài)；而在干細(xì)胞中，核糖體生物合成受到嚴(yán)格調(diào)控，并且在干細(xì)胞的分化過程中，rRNA合成速率降低。核糖體生物合成受到嚴(yán)格調(diào)控從而維持干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，而它在腫瘤中的異常促進(jìn)了腫瘤發(fā)展，具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3 腫瘤細(xì)胞中核糖體生物合成的調(diào)控

核糖體生物合成在腫瘤中異常，取決于多種因素，包括原癌基因和抑癌基因的改變以及細(xì)胞內(nèi)特定信號(hào)通路的激活。核糖體生物合成受到許多關(guān)鍵的細(xì)胞生長和增殖信號(hào)通路的嚴(yán)格調(diào)控[19]，主要包括：RAS/RAF/MEK/ERK、MYC和PI3K/AKT/mTOR。這些通路形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和增殖。

3.1 轉(zhuǎn)錄因子MYC

轉(zhuǎn)錄因子MYC（c-MYC癌基因產(chǎn)物）是最常見的激活癌蛋白之一，在約50%的癌癥中過度表達(dá)，它能結(jié)合和調(diào)控大量基因，包括許多編碼核糖體蛋白、rRNA加工因子和翻譯因子的基因。MYC被認(rèn)為是核糖體生物合成的主要調(diào)節(jié)因子，能夠調(diào)控三種RNA聚合酶[20]。在MYC驅(qū)動(dòng)的腫瘤中，MYC會(huì)調(diào)節(jié)很多RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的基因，包括核糖體蛋白基因。MYC也會(huì)調(diào)節(jié)RNA聚合酶Ⅲ介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)tRNA、5SRNA以及其他小RNA基因的轉(zhuǎn)錄。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)MYC與SL1結(jié)合促進(jìn)SL1被招募到rDNA啟動(dòng)子上，直接促進(jìn)RNA聚合酶Ⅰ介導(dǎo)rRNA的轉(zhuǎn)錄。MYC刺激核糖體生物合成可能是促進(jìn)細(xì)胞生長和腫瘤發(fā)生的關(guān)鍵途徑。

3.2 RAS/RAF/MEK/ERK信號(hào)通路

細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶ERK通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)被激活，包括RAS、RAF和ERK激酶MEK。ERK會(huì)調(diào)節(jié)RNA聚合酶Ⅲ和RNA聚合酶Ⅰ介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄。ERK磷酸化并激活UBF和TIF-1A，從而刺激RNA聚合酶Ⅰ合成rRNA。ERK也直接激活一般轉(zhuǎn)錄因子TFⅢB，以增加RNA聚合酶Ⅲ對(duì)編碼tRNA和5S rRNA的基因的轉(zhuǎn)錄?？梢哉J(rèn)為，MYC增加了促進(jìn)核糖體生物合成的轉(zhuǎn)錄因子的數(shù)量，而ERK則增加了它們的活性[21]。

3.3 PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路

PI3K激活后，磷酸化AKT使其激活，信號(hào)通過AKT傳遞到下游靶點(diǎn)。mTOR存在兩種蛋白復(fù)合物，即mTORC1和mTORC2，主要調(diào)控核糖體生物合成的是mTORC1。mTORC1主要通過核糖體蛋白S6激酶（S6K1/2）和翻譯起始因子結(jié)合蛋白（4E-BP1/2/3）調(diào)控核糖體蛋白的合成和rRNA的合成[22]。mTORC1一方面增強(qiáng)5’-TOP mRNA的翻譯從而促進(jìn)核糖體蛋白的翻譯。另一方面mTORC1上調(diào)UBF的表達(dá)和增加其羧基端激活結(jié)構(gòu)域的磷酸化，磷酸化的UBF與SL1相互作用明顯增強(qiáng)，促進(jìn)RNA聚合酶Ⅰ對(duì)rDNA的轉(zhuǎn)錄[23]。此外，激酶AKT在多個(gè)水平上調(diào)節(jié)rRNA的轉(zhuǎn)錄，包括轉(zhuǎn)錄的起始和延伸，促進(jìn)rRNA的合成，并且RNA聚合酶Ⅰ的轉(zhuǎn)錄延長需要持續(xù)的依賴于AKT的信號(hào)。AKT的這種促進(jìn)核糖體生物合成的作用獨(dú)立于其激活mTORC1產(chǎn)生的作用。并且AKT還會(huì)與MYC協(xié)同作用，在MYC驅(qū)動(dòng)的淋巴瘤生成過程中，AKT信號(hào)對(duì)核糖體生物合成和細(xì)胞存活是必需的。

眾所周知，RAS/RAF/MEK/ERK、MYC和PI3K/AKT/mTOR信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控異常已被證明在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起著關(guān)鍵作用?？紤]到這個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)對(duì)核糖體生物合成的關(guān)鍵調(diào)控作用，可以認(rèn)為，核糖體生物合成是RAS/RAF/MEK/ERK、MYC和PI3K/AKT/mTOR通路驅(qū)動(dòng)惡性腫瘤的重要環(huán)節(jié)。

因此，核糖體生物合成異常不只是腫瘤發(fā)生的結(jié)果，它可能會(huì)直接促進(jìn)惡性轉(zhuǎn)化和腫瘤的發(fā)生，并且也逐漸被認(rèn)為是多種腫瘤的一個(gè)可行的治療靶點(diǎn)。

4 核糖體生物合成作為腫瘤治療的有效靶點(diǎn)

使用藥物抑制核糖體生物合成可以激活核仁應(yīng)激反應(yīng)[24]。具體來說，當(dāng)核糖體生物合成受到抑制時(shí)，多余的核糖體蛋白聚集起來，激活了RPMDM2-P53信號(hào)通路：P53的表達(dá)和活性主要受MDM2調(diào)控，MDM2是一種E3泛素連接酶，通過與P53結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄活性，并促進(jìn)其蛋白酶體的降解。部分核糖體蛋白如RPL5、RPL11、RPL23會(huì)與MDM2相互作用，從而抑制其活性，穩(wěn)定P53。P53作為一種抑癌基因，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡。

除了依賴于P53途徑的抑癌作用，藥物靶向核糖體生物合成治療腫瘤的理論依據(jù)是相比正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生更多的核糖體，一旦核糖體生物合成被抑制，腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞更容易受到影響。這里藥物設(shè)計(jì)的基本思想是針對(duì)核糖體生物合成的具體幾個(gè)步驟，包括rRNA轉(zhuǎn)錄、Pre-RNA加工、核糖體組裝等。事實(shí)上，有許多經(jīng)臨床批準(zhǔn)的藥物，其治療作用至少部分是通過破壞核糖體生物合成來實(shí)現(xiàn)的，例如，順鉑、奧沙利鉑、阿霉素、米托蒽醌和絲裂霉素C均在rRNA轉(zhuǎn)錄水平上抑制核糖體的合成，而5-氟尿嘧啶、喜樹堿在rRNA加工水平上抑制核糖體的合成[19,25-26]。

5-氟尿嘧啶可以抑制胸苷酸合酶，與47S prerRNA結(jié)合，抑制rRNA后期加工，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。5-氟尿嘧啶的細(xì)胞毒性依賴于P53，且依賴于HDM2的活性。順鉑能誘導(dǎo)DNA鏈內(nèi)交聯(lián)，抑制RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄。低濃度順鉑可特異性抑制RNA聚合酶Ⅰ，而不抑制RNA聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄，從而在rRNA轉(zhuǎn)錄水平上抑制核糖體生物合成?？紤]到順鉑的抗腫瘤作用也與其DNA損傷作用有關(guān)，有研究指出，順鉑的類似物奧沙利鉑不是通過DNA損傷反應(yīng)殺死細(xì)胞，它主要通過抑制核糖體生物合成引發(fā)核仁應(yīng)激發(fā)揮抗癌作用[27]。其他抑制了核糖體生物合成的抗腫瘤藥物見表1[19,26,28]。

為了特異性抑制核糖體生物合成而不產(chǎn)生遺傳毒性，科學(xué)家們正在努力開發(fā)新的藥物，現(xiàn)在研究最多的是抑制rRNA轉(zhuǎn)錄的化合物，比如CX-5461，它可以選擇性抑制RNA聚合酶Ⅰ的功能從而實(shí)現(xiàn)抑制核糖體生物合成。到目前為止，CX-5461已被廣泛研究，在多種腫瘤包括白血病、淋巴瘤、骨髓瘤、前列腺癌、骨肉瘤、卵巢癌和神經(jīng)母細(xì)胞瘤中具有抗癌作用。具有相似作用的化合物還有CX-3543、BMH-21等。

但是這些化合物存在一些局限性：首先，并不是所有的細(xì)胞系對(duì)RNA聚合酶Ⅰ抑制劑都敏感；其次，兩個(gè)CX-衍生物和BMH-21是一種DNA結(jié)合化合物，能夠直接與任何富含GC或含有G4的DNA序列相互作用，表明它們可以與其他基因組DNA結(jié)合；再次，已有案例表明 CX-5461能夠產(chǎn)生獲得性耐藥[29]。

表1 抑制核糖體生物合成的抗腫瘤藥物Table 1 Antineoplastic drugs which inhibit ribosome biogenesis

5 展望

核糖體生物合成逐漸被認(rèn)為是治療腫瘤的有效靶點(diǎn)，越來越多抗癌新藥的開發(fā)都把方向?qū)?zhǔn)核糖體生物合成，例如Scull等[30]利用高通量篩選器對(duì)核糖體生物合成抑制劑進(jìn)行鑒定，開發(fā)了有效的rRNA合成抑制劑。當(dāng)然，設(shè)計(jì)藥物的方向還可以針對(duì)核糖體生物合成的其他步驟，例如針對(duì)核糖體的組裝步驟，或者針對(duì)特定核糖體組分的化學(xué)修飾。此外，聯(lián)合靶向核糖體生物合成的藥物與核糖體生物合成相關(guān)信號(hào)通路可能會(huì)產(chǎn)生更好的治療效果，例如聯(lián)合應(yīng)用rDNA轉(zhuǎn)錄抑制劑（CX-5461）與mTORC1抑制劑依維莫司治療淋巴瘤[31]，或者將CX-5461與pan-PIM激酶抑制劑CX-6258聯(lián)用治療前列腺癌[32]。總之，針對(duì)核糖體生物合成開發(fā)抗癌新藥將具有廣闊的應(yīng)用前景。