hnRNPs 的結構、功能及其相關疾病的研究進展

劉玉娟 綜述；吳海芳，陳玲，傅芬 審校

(1.南昌大學第三附屬醫(yī)院婦產科；2.南昌大學醫(yī)學院；3.南昌大學第二附屬醫(yī)院婦產科，南昌330000)

hnRNPs 是一大類RNA 結合蛋白(RBPs)，參與核酸代謝各過程。 hnRNPs 具有功能多樣性和復雜性，除了參與癌癥的發(fā)生發(fā)展外，還與各種神經退行性疾病， 自身免疫性疾病等密切相關。 現(xiàn)對hnRNPs 家族的結構，功能及其參與的相關疾病做一綜述。

1 hnRNPs 家族

核內不均一核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein，hnRNPs） 是一個蛋白超家族，通過特異的結構與pre-mRNA 結合, 形成復合體，參與mRNA 轉運、剪切及表達等生理過程。隨著研究的深入， 目前發(fā)現(xiàn)在人類hnRNP 蛋白有多達42種，黑猩猩44 種。 它們的分子大小和等電點各不相同，分子量大小從34 到120 kDa 不等，依據分子量大小將其命名為hnRNPA1-U。 其中A1、A2、B1、B2、C1、C2 被稱做核心蛋白。hnRNPs 分布極為廣泛，不僅在脊椎動物細胞中表達，在其他物種體內如植物或酵母中也表達。 hnRNPs 在不同組織中表達水平不同， 在生命的不同時期表達種類也不同[1]。

hnRNPs 一部分定位于細胞核內，不能自由穿梭于質核之間，與前體mRNA 結合形成復合體，在前體mRNA 轉運出細胞核之前脫離復合體； 另一部分可以自由穿梭在細胞核與細胞質之間， 它們與前體mRNA 形成復合體以后一直伴隨著前體mRNA 通過核孔復合體進入細胞質， 并與其他蛋白如RNA 多聚酶II 等一起完成對前體mRNA 的剪切加工以及修飾， 然后與之解離再返回到細胞核中準備參與下一輪的轉運。

2 hnRNPs 結構與功能

2.1 hnRNPs 的結構 hnRNPs 的結構具有類似性（見圖1）[1]， 包含RNA 識別基序(RNA recognition motif，RRM)、 準RNA 識 別 基 序 （quasi -RNA recognition motif，qRRM），RGG 盒 （RNA-binding domain consisting of Arg-Gly-Gly repeats，RGG）、 K同源域（KH，K-homology domain），以及一些輔助區(qū)域（如富含甘氨酸結構域，富含脯氨酸的結構域和富含酸性的區(qū)域）。 在hnRNPs 結構中， 能與RNA結合的區(qū)域 （RNA-binding domain ,RBD） 包括RNA 識別基序、RGG 盒和K 同源域。 兩個RNA 結合區(qū)能形成莖環(huán)結構， 是與pre-mRNA 的3′非編碼區(qū)結合的重要部位，而富含甘氨酸的結構區(qū)域在功能上類似于核定位系統(tǒng)。 hnRNPs 家族成員結構上的主要區(qū)別在于RNA 結合區(qū)的序列組成上，因此RNA 結合區(qū)域是決定蛋白功能特異性的主要因素。

圖1 主要hnRNPs 結構示意圖

2.2 hnRNPs 的功能 hnRNPs 是一大類RNA 結合蛋白， 可以通過其RNA 結合區(qū)域與信使RNA 的非編碼區(qū)結合，在細胞核酸代謝過程中起著重要的作用。

2.2.1 參與選擇性剪接 據估計， 多達95%的人類外顯子基因發(fā)生選擇性剪接。選擇性剪接是去除內含子和選擇性連接外顯子的過程， 通過這個過程，使得機體各器官、 組織具有組織特異性以及生物呈現(xiàn)復雜性。 hnRNPs 通過其RNA 結合區(qū)域與信使RNA 的非編碼區(qū)結合，在選擇性剪接過程中起著重要作用。比如，選擇性剪接HIV-1 mRNA 可增加病毒的編碼潛力， 并控制基因表達的水平和時間。 hnRNP H1 可作為剪接增強子， 調節(jié)HIV-1 mRNA 的剪接，從而影響HIV 基因表達[2]。 hnRNP H1/F 也可通過對TCF3 的剪接， 在人類多潛能胚胎干細胞的維持和分化中起著至關重要的作用[3]?？梢娺x擇性剪接對基因的表達有重要作用。

選擇性剪接雖然在mRNA 的調控中起著重要作用，但其在剪接位點的選擇機制上比較復雜，具有機制不明。有研究表明[4]，hnRNPG 可以通過兩種方式影響剪接位點的選擇： 第一種方式是依賴于hnRN PG 的C 末端與剪接調節(jié)蛋白結合； 第二方式是通過hnRN PG 的RNA 識別基序與premRNA 在單鏈構象中富含CCA 的序列結合， 直接影響選擇性剪接。

2.2.2 調節(jié)端粒酶活性 研究表明，在器官組織中，hnRNP A2 的表達水平與端粒酶活性呈正相關；在細胞內hnRNP A2 蛋白與端粒酶共定位于端粒上，可以使端粒延長,降低表達則使端?？s短[5]。這些特征說明hnRNP A2 決定了端粒DNA 是否可以得到延長，因此它在調控端粒長度平衡，維持細胞的分裂能力中起著重要作用。 此外，hnRNP U 可特異性結合端粒的G -四聯(lián)體結合蛋白，介導端粒生物學功能中也具有重要的作用[6]。hnRNP F/H 與hTERC和端粒酶全酶結合，具有調節(jié)端粒酶功能，促進細胞增殖[7]，對于腫瘤的發(fā)生有重要意義。

2.2.3 參與DNA 損傷修復 hnRNPs 是細胞對電離輻射和其他應激反應的關鍵調節(jié)蛋白，在DNA 損傷修復中發(fā)揮重要作用。 Benjamin H[8]發(fā)現(xiàn)細胞在遭受電離輻射后，有16 種不同的hnRNP 蛋白表現(xiàn)出mRNA 轉錄或蛋白質數(shù)量的變化， 不同的hnRNP 蛋白表現(xiàn)不同。 hnRNPs 通過蛋白質-蛋白質相互作用和對關鍵修復因子與應激反應mRNA的轉錄調控，促進電離輻射后損傷DNA 進行同源重組修復或非同源末端連接進行修復。Hu[9]在奧沙利鉑誘導的DNA 雙鏈斷裂損傷中發(fā)現(xiàn)，hnRNP L通過RNA 識別基序(RRMs)直接與DNA 修復因子53BP1 和BRCA1 結合，促進損傷DNA 的修復，使得奧沙利鉑對腫瘤的化療不敏感甚至導致耐藥。

2.2.4 穩(wěn)定mRNA hnRNPs 具有穩(wěn)定mRNA 作用。 hnRNPE1 在RNA 穩(wěn)定性中的起著重要作用，可通過與目標mRNAs 3’非翻譯區(qū)（3’UTR）富含AU 或U 成分結合， 穩(wěn)定mRNA 并調節(jié)基因表達。hnRNPE1 還可以通過其KH1 結構域與p27kip13’UTR 的結合穩(wěn)定p27kip1mRNA， 通過增強其降解前的翻譯，促進了p27kip1 蛋白的表達[10]。

3 hnRNPs 與相關疾病

3.1 與腫瘤的關系 研究表明hnRNPs 與多種癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(見表1)，如hnRNPA2/B1在肺癌、肝癌、宮頸癌、乳腺癌和胰腺癌中顯著高表達[16-18]，而且已經作為肺癌的早期診斷標志物[39];hnRNPA1 與各種消化道腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關[11-15],hnRNPs 的高表達可以促進癌細胞的增殖、 侵襲、轉移，并且會影響患者的預后[21,22]。 此外，還可能通過損傷修復機制參與腫瘤的耐藥[9]。

3.2 與神經系統(tǒng)疾病 大多數(shù)hnRNP mRNA 轉錄本經過選擇性剪接和翻譯后修飾， 以產生大量功能不同的蛋白質， 它們在多種功能中發(fā)揮協(xié)調作用。 研究表明，hnRNPs 可調控一些神經系統(tǒng)中具有重要功能的基因，一旦出現(xiàn)調控紊亂，必將導致神經系統(tǒng)疾病發(fā)生。

3.2.1 hnRNPs 與肌萎縮性脊髓側索硬化癥/額顳葉癡呆(ALS/FTLD) 研究表明,在hnRNPA1 和hnRN PA2/B1 中朊蛋白樣結構域中的突變中，導致ALS/FTLD 的發(fā)生[40]。 ALS/FTLD 形成RNA 病灶中發(fā)現(xiàn)其內含有hnRNP A1、A2/B1、A3、F、H 和K,提示hn RNPA1 和A2/B1 與其他RNA 結合蛋白（RBPs）在胞漿應激顆粒中被隔離， 可導致ALS/FTLD 的發(fā)生。

3.2.2 hnRNPs 與脊髓性肌肉萎縮 脊髓性肌肉萎縮(SMA)是一種脊髓運動神經元的細胞死亡導致全系統(tǒng)肌肉萎縮的常染色體隱形遺傳病。 運動神經元生存基因(SMN)是SMA 的決定基因。 該基因含有兩個高度同源的拷貝， 包括SMN1 和SMN2。它們之間的不同是第7 外顯子的C/T 轉變，這個轉變將導致全長SMN 蛋白的表達降低， 無法挽救SMN1 表達的損失。 在SMN2 基因中，第7 外顯子5’端的單核苷酸替換導致外顯子跳過，從而導致非功能性SMN 蛋白[41]。

目前發(fā)現(xiàn)5 個hnRNPs (A1、G、M、Q 和R)與SMA 相關[41]。 hn RNP G 可與正性修飾劑Tra2-β1形成復合物，從而保留第7 外顯子。此外，hnRNP Q可以與第7 外顯子單核苷酸替換結合， 從而避免了外顯子7 的跳躍性。hnRNP M 通過招募U2AF65來靶向外顯子7 上的一個剪接增強子， 從而產生一個完整的轉錄本。 相反， hnRNP A1 可通過與SMN2 中單核苷酸替換形成的剪接沉默子結合外，還可與SMN1/2 內含子內的區(qū)域結合，發(fā)揮負性調節(jié)作用。

表1 hnRNPs 與腫瘤的關系

3.2.3 hnRNPs 與阿爾茨海默病(AD) 阿爾茨海默病[42]（Alzheimer’s disease，AD）是一種以進行性癡呆為主的中樞神經系統(tǒng)退行性疾病。 研究表明，hnRNPC 與阿爾茨海默病有關[43]，其特征是淀粉樣β 蛋白形成的淀粉樣蛋白-b 斑塊， 這是APP 的切割產物。對APP mRNA 的翻譯調控是至關重要的，其序列是脆性X 智力低下蛋白(FMRP)和hnRNPC的靶點。 RBP 具有競爭性， 并逆向影響APP 的翻譯。 此外，研究發(fā)現(xiàn)[44]，hn RNPA1 也影響AD 的發(fā)生， 其主要是其通過對APP 基因的選擇性剪接模式來影響，從而這影響了有毒Aβ 肽的產生（Aβ 在AD 腦的淀粉樣斑塊中積累）。 在細胞培養(yǎng)中，hn RNPA1 的表達降低了全長APP 亞型的水平。 相反地，siRNA 敲除hnRNPA1 導致外顯子包涵體增加，Aβ 分泌增加， 因為全長APP 亞型產生更多的Aβ分泌。 這表明hnRNPA1 在保護神經元免受Aβ的神經毒性作用中起著重要作用[45]。此外，AD 患者外顯子包涵體升高，腦hn RNPA1 減少；小鼠模型的hnRNPA1 減少，學習和記憶受損。 總之，降低腦hn RNPA/B 水平可能對神經元功能產生有害影響。

3.3 與自身免疫性疾病 早在20 世紀80 年代末，在類風濕關節(jié)炎(RA)、系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)和混合結締組織病(MCTD) 中檢測到hnRNP 復合物A和B 蛋白的自身抗體。 在臨床實踐中，這些自身抗體除了具有診斷價值， 已經開始被認為是更深入了解自身免疫性風濕性疾?。⊿ARD）發(fā)病機制的重要工具。 hnRNPA1、A2、B、C、H、I、k 和R 被證明是SARD 中的自身靶抗原[46]。

Katrijn[47]利用Westernblotting 檢測106 例對照者和298 例結締組織病患者血清顯示， 在檢測的10 種hnRNP 抗 原 的 抗 體（A1、B1、C1、E1、F、H1、Gi、I、K 和P2）中，除hn RNPGi 外，所有被檢測的hnRNP 抗原的抗體均高于對照組， 尤其是干燥綜合征患者（SS）。 因此，可通過檢測血清中的血清中hnRNP 抗原的抗體可以早期對疾病的診斷。 此外，此研究也發(fā)現(xiàn)，幾種hnRNPs 的抗體與結締組織病有很強的相關性, 因此, 可通過聯(lián)合檢測多個hnRNP 抗原的抗體提高疾病診斷的準確性和特異性。

3.4 hnRNPs 與其他 hnRNPs 是一組功能強大的家族，除與上述研究較多的腫瘤，自身免疫性疾病以及神經系統(tǒng)疾病密切相關外， 其還與心臟發(fā)育相關， 有研究表明hnRNPU 是出生后心臟發(fā)育和心臟功能所必需的[48]。在非酒精性脂肪肝炎(NASH)發(fā)病機制中， 肝特異性滅活hnRNPU 加重飲食誘導的NASH 的發(fā)生，hnRNPU 缺乏可通過刺激T RKB-T1 的表達，促進肝細胞炎癥信號傳導和應激誘導的細胞死亡[49]。此外，hnRNPs 還影響哺乳動物的活動模式和代謝節(jié)律[50]，hnRNPs 重塑染色體結構[51]，hnRNPU 是維持染色質3D 結構所必須的[52]。

最近研究發(fā)現(xiàn)，hnRNPs 蛋白是維持干細胞自我更新和多能性及細胞分化的關鍵因素。hnRNPI 與胚胎干細胞增殖，與神經祖細胞的壽命有關；hnRNPA1 使生殖細胞保持未分化狀態(tài)；hnRNP A2/B1 維持胚胎干細胞增殖、 多能性；hnRNPU 具有保持胚胎干細胞多能性[53]。

綜上所述， 核不均一核糖核蛋白家族功能強大，不僅參與核酸代謝的多種生理功能，其功能失調參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展， 尤其在癌癥的研究中是目前的一大熱點，值得我們深入探討。