冷誘導(dǎo)RNA結(jié)合蛋白在生殖和胚胎發(fā)育中作用的研究進(jìn)展

李忠秋

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧研究所／農(nóng)業(yè)部種養(yǎng)結(jié)合重點實驗室，哈爾濱 150086）

冷誘導(dǎo)RNA結(jié)合蛋白（cold inducible RNA binding protein，CIRP）最初是在小鼠睪丸細(xì)胞中分離得到的，在多種組織細(xì)胞中呈組成型表達(dá)。CIRP屬于RNA結(jié)合蛋白異源核糖核蛋白亞群，是一種應(yīng)激應(yīng)答基因，在低溫、高滲、紫外線、低氧、輻射、毒素和藥物等多種應(yīng)激條件下表達(dá)［1］。CIRP也是一種多功能的生理活性物質(zhì)，參與生物節(jié)律調(diào)節(jié)、兩棲動物冬眠、生殖系統(tǒng)發(fā)育、神經(jīng)發(fā)育調(diào)節(jié)、胚胎發(fā)育、免疫應(yīng)答反應(yīng)和腫瘤的發(fā)生等多種生理過程［2］。CIRP是早期發(fā)育的關(guān)鍵因子，研究其在動物睪丸、精子、卵巢和卵母細(xì)胞等生殖器官和配子中的表達(dá)和作用具有重要的生理意義，也有助于雄性不育和雌性不孕的分子機(jī)制研究。

1 CIRP的發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)

CIRP最初是在研究紫外線照射對植物細(xì)胞DNA損傷的過程中被發(fā)現(xiàn)的，其表達(dá)量與紫外線的照射增強(qiáng)呈正相關(guān)［3］。1997年，第一個哺乳動物CIRP是在小鼠睪丸細(xì)胞中分離得到，并證明了CIRP參與細(xì)胞生長的溫度依賴性調(diào)節(jié)［4］。研究人員先后從爪蟾、美西蝠、牛蛙、樹蛙、海鞘類、大西洋鮭、馬哈魚、大黃魚、小鼠、大鼠、人類、倉鼠、雞、牦牛、豬等多種生物細(xì)胞發(fā)現(xiàn)有CIRP表達(dá)［5-6］。對核苷酸序列和氨基酸序列進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，它們的同源性較高，具有高度的保守性［5-8］。CIRP屬于冷休克蛋白（cold shock proteins，CSP）家族，在分子結(jié)構(gòu)上CSP具有共同的結(jié)構(gòu)特性，共有序列RNA結(jié)合域（consensus sequence RNA-binding domain，CS-RBD）和富含甘氨酸的結(jié)構(gòu)域（Arginine-Glycine-Glycine peptides，RGG）。CIRP含有一個氨基末端的CS-RBD和梭基末端的RGG。CSRBD大約由85個氨基酸殘基組成，一個氨基酸八聚體即核糖核蛋白1（Ribonucleoprotein1，RNP1）和一個氨基酸六聚體即核糖核蛋白2（Ribonucleoprotein2，RNP2）兩個高度保守的核糖核蛋白序列，在這些序列之中摻雜著一些其他的保守疏水性氨基酸［9-10］。CS-RBD具有與RNA結(jié)合的功能，與mRNA的穩(wěn)定、定位、剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)等有關(guān)［11-12］。RGG基序由幾個Arg-Gly-Gly重復(fù)子序列組成，參與蛋白質(zhì)與RNA或蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，進(jìn)而增強(qiáng)RNA的結(jié)合能力并影響蛋白質(zhì)的胞內(nèi)定位［13-14］。

2 CIRP的細(xì)胞定位與遷移

CIRP在小鼠和人的多種組織中組成性表達(dá)，通常定位于多種細(xì)胞的細(xì)胞核中，在細(xì)胞核中調(diào)節(jié)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄或與mRNA結(jié)合進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)［15-16］。但在多種生理或應(yīng)激條件下CIRP會遷移進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中［17］。研究發(fā)現(xiàn)，非洲爪蟾卵母細(xì)胞中的CIRP主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，人精子細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中也檢測到CIRP［18-19］。CIRP的細(xì)胞定位不是固定的，而是取決于細(xì)胞類型和細(xì)胞狀態(tài)［20］。非洲爪蟾卵母細(xì)胞質(zhì)中CIRP的出現(xiàn)受到精氨酸甲基化作用的影響，當(dāng)精氨酸末端的甲基化轉(zhuǎn)移酶Ⅰ表達(dá)過量時誘使細(xì)胞核中的CIRP進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中蓄積［13，21］。紫外線照射人結(jié)腸癌RKO細(xì)胞時，誘導(dǎo)的遺傳毒性應(yīng)激使CIRP可以從細(xì)胞核遷移到細(xì)胞質(zhì)，通過結(jié)合特異靶基因RPA2和TRX，增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性和特異靶基因的翻譯發(fā)揮對細(xì)胞的保護(hù)作用［19］。血管內(nèi)皮細(xì)胞在氧化應(yīng)激條件下CIRP表達(dá)量不會發(fā)生改變，但細(xì)胞核中的CIRP會發(fā)生核質(zhì)穿越，向細(xì)胞質(zhì)中的應(yīng)激顆粒（應(yīng)激顆粒是在環(huán)境應(yīng)激條件下細(xì)胞內(nèi)動態(tài)聚集的失活翻譯起始復(fù)合體）聚集［13］。馬哈魚處于高滲應(yīng)激時，誘導(dǎo)產(chǎn)生CIRP同系物SGRP，其結(jié)構(gòu)中含有特殊核定位信號區(qū)，可以進(jìn)行核質(zhì)穿越，使其遷移進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中［22］；溫和冷應(yīng)激時誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)CIRP表達(dá)增加，但不引起核質(zhì)穿越。

3 CIRP與生殖發(fā)育

CIRP持續(xù)表達(dá)于小鼠、人類和牦牛的睪丸組織中［23-25］，與睪丸的生理功能和精子的生成發(fā)育密切相關(guān)。CIRP組成型表達(dá)于雄性小鼠發(fā)育不同階段的精子細(xì)胞中，即CIRP基因的表達(dá)是整個生命延續(xù)過程中必不可少的部分［23］。在各年齡段牦牛睪丸中CIRP在mRNA及蛋白水平均有表達(dá)，且表達(dá)水平隨著年齡的增長不斷增加。CIRP表達(dá)于不同發(fā)育階段的精原細(xì)胞和初級精母細(xì)胞，在成年牦牛睪丸中的精原細(xì)胞和初級精母細(xì)胞中CIRP表達(dá)強(qiáng)烈，推測隨著睪丸和精子細(xì)胞從發(fā)育到成熟，CIRP表達(dá)強(qiáng)度逐漸增加，主要功能是用以維持精子發(fā)生、抗擊睪丸的應(yīng)激損害和生精細(xì)胞的凋亡［25］。CIRP具有調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的功能，高表達(dá)會延長DNA合成前期（Gl期），通過調(diào)節(jié)mRNAs的生物合成來促進(jìn)細(xì)胞發(fā)揮功能。當(dāng)CIRP在生精細(xì)胞上表達(dá)上調(diào)時，會導(dǎo)致生精細(xì)胞G1期延長，并通過調(diào)節(jié)mRNAs的生物合成，促進(jìn)生精細(xì)胞的正常生精功能和未分化精原細(xì)胞的增殖；而當(dāng)CIRP表達(dá)下調(diào)時會引起有絲分裂和／或減數(shù)分裂的紊亂，導(dǎo)致生精細(xì)胞的過度凋亡，損害精子的發(fā)生［26-28］。CIRP在正常小鼠的睪丸中強(qiáng)表達(dá)，但在隱睪小鼠的睪丸中CIRP表達(dá)量顯著降低，推測對隱睪小鼠生精細(xì)胞損傷后CIRP表達(dá)水平降低起重要作用［29］。在雄性隱睪小鼠睪丸中導(dǎo)入重組的CIRP過表達(dá)載體，結(jié)果表明，過量表達(dá)CIRP能夠降低隱睪癥造成的雄性小鼠睪丸損傷程度［30］。CIRP參與核糖體的功能調(diào)節(jié)，在非洲爪蟾卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中高濃度存在，對卵母細(xì)胞的生長發(fā)育具有重要作用［18］。CIRP參與調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜細(xì)胞周期活動，其表達(dá)降低可能導(dǎo)致子宮內(nèi)膜細(xì)胞周期紊亂而發(fā)生子宮內(nèi)膜癌［31］。由于在生殖發(fā)育過程中具有重要作用，對CIRP在生殖系統(tǒng)和生殖過程中作用機(jī)制進(jìn)行研究有助于雌性不孕和雄性不育的分子機(jī)制研究。

4 CIRP與胚胎發(fā)育

胚胎發(fā)育起始于配子受精后的受精卵，受精卵不斷分裂、分化、成長，產(chǎn)生各種細(xì)胞，組建各種組織和器官，最終脫離卵膜形成新的個體，完成發(fā)育。在胚胎發(fā)育的早期階段，胚胎對外界環(huán)境刺激的抵抗能力和適應(yīng)能力均較弱。CIRP作為RNA結(jié)合蛋白具有特異性的RNAs結(jié)合特征，能夠與RNAs結(jié)合，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄后的水平［27，32］，并且能夠增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)RNA的折疊和翻譯，降低反轉(zhuǎn)錄過程中的亂配、錯配和受損等現(xiàn)象的發(fā)生，有效促進(jìn)cDNA的合成效率，增強(qiáng)相應(yīng)蛋白的生物合成，發(fā)揮對細(xì)胞的保護(hù)作用。非洲爪蟾的CIRP同系物（XCIRP）在原腸胚和真皮細(xì)胞中表達(dá)豐富，XCIRP對原腸胚時期的細(xì)胞發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用［7］。進(jìn)一步的研究表明，在非洲爪蟾處于原腸胚時期原腎和神經(jīng)組織的細(xì)胞質(zhì)中XCIRP表達(dá)量迅速增加，對非洲爪蟾的前腎形成和神經(jīng)發(fā)育具有一定的作用，且母源XCIRP在其胚胎腎形成過程中具有重要作用［33］。墨西哥美西螈AxRB基因主要在胚胎神經(jīng)系統(tǒng)表達(dá)，在胚胎神經(jīng)發(fā)生前和神經(jīng)發(fā)生中起重要作用［8］。果蠅elav基因和Musashi基因分別包含3個CS-RBD和2個CS-RBD結(jié)構(gòu)域，屬于RNA結(jié)合蛋白基因，是CIRP的同系物，研究表明elav基因影響成熟神經(jīng)元功能的維持與小神經(jīng)元的發(fā)育［34］。Musashi基因通過在轉(zhuǎn)錄后水平控制目標(biāo)基因的表達(dá)來調(diào)控外感器的發(fā)育，是果蠅外部性器官發(fā)育所必需的［35］。CIRP的表達(dá)對胚胎發(fā)育具有重要作用，尤其是對發(fā)育初期的胚胎。CIRP在胚胎發(fā)育過程中的表達(dá)和功能還需要進(jìn)一步研究，其研究成果可為CIRP在人類胚胎發(fā)育中的運(yùn)用奠定理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

CIRP在哺乳動物多種類型的細(xì)胞中均有表達(dá)，作為一種應(yīng)激蛋白，除參與細(xì)胞的多種應(yīng)激反應(yīng)過程外，在細(xì)胞正常生理活動中也具有重要作用。CIRP是早期發(fā)育的關(guān)鍵因子，對睪丸的生理功能、精子的生成發(fā)育、胚胎細(xì)胞發(fā)育的調(diào)節(jié)和胚胎神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育都具有重要的作用。在生殖系統(tǒng)和胚胎發(fā)育中進(jìn)一步深入探討和研究CIRP的生物學(xué)功能和作用，有助于雄性不育和雌性不孕研究。