哺乳動物核仁應激研究進展

胡 威，劉 犇

（1.宜春學院生命科學與資源環(huán)境學院，江西宜春 336000；2.江西綠科農牧科技有限公司，江西宜春 336000；3.江西省高等學校硒農業(yè)工程技術研究中心，江西宜春 336000）

核仁是真核生物細胞核中一種無膜的不定型結構，其主要功能是參與核糖體的生物合成，許多與核糖體RNA 合成相關的分子均定位在核仁中，在核糖體的生物合成過程中需要相關分子間進行嚴密的調控，以維持細胞的增殖與生長[1-2]。核仁應激（Nucleolar Stress）是指細胞內核糖體生物合成受阻或功能受到抑制進而導致細胞內穩(wěn)態(tài)受到破壞，因此又稱為核糖體應激（Ribosomal Stress）[3]。近幾年核仁應激成為研究熱點，尤其是在腫瘤治療和生殖調控方面已取得較為深入的研究成果[4-5]。本文對核仁應激以及核仁應激對哺乳動物腫瘤細胞和胚胎著床的調控進行綜述，以期為核仁應激的進一步研究提供參考。

1 核仁與核仁應激概述

1.1 核仁 核仁是真核細胞細胞核內一種常見的結構，通過透射電鏡觀察，根據(jù)電子密度的不同可將核仁分為纖維中心（Fibrillar Center，F(xiàn)C）、致密纖維組分（Dense Fibrillar Component，DFC）和外周顆粒組分（Peripheral Granular Component，GC）3 個部分，GC將FC 和DFC 完全包被在內部。各部分在核糖體生物合成過程中發(fā)揮著不同的作用，前核糖體RNA（prerRNA）的轉錄是在FC 與DFC 的交界處進行，而prerRNA 的加工以及初始核糖體亞基的組裝大部分都是在DFC 中完成，當核糖體的大小亞基進入GC 后在鳥苷三磷酸酶（GTPases）的參與下會進一步進行組裝和成熟（圖1）[3]。當哺乳動物細胞進行分裂時，核仁會發(fā)生分解，分裂活動結束后核仁會在核仁組織區(qū)（Nucleolar Organizing Regions，NORs）進行重組，進而參與細胞內相關生理活動的調控過程[6]。核仁的形態(tài)和大小與核仁的活性有關，而核仁的活性又取決于細胞的生長與代謝水平[7]。許多研究表明核仁能夠有效感應不同類型的細胞應激，因此就提出了“核仁應激”的概念。

1.2 核仁應激 正常生理狀態(tài)下，核糖體能夠在核仁中進行有序合成，當細胞受到一些因素刺激時，核糖體的生物合成過程會受到阻礙，進而引起細胞內穩(wěn)態(tài)的破壞，這些刺激因素即為核仁應激的應激源[8]。目前，能夠引起核仁應激的常見應激源主要有化療藥物[如放線菌素D（Actinomycin D，ActD）、CX5461 等][9-10]、紫外照射[11]、低氧環(huán)境[12]和饑餓[8]等。通常情況下，核仁應激會引起p53 依賴性的細胞周期阻滯，但近期有研究表明核仁應激同樣有p53 非依賴性調控通路的存在，且其最終同樣能夠引起細胞周期的阻滯或細胞凋亡[3,13]。因此，核仁應激可分為p53 依賴性和p53 非依賴性的核仁應激。與其他類型的細胞應激不同的是核仁應激不會引起核仁整體結構的破壞，而僅僅是部分核仁分子的定位發(fā)生相應變化，即由核仁穿梭到了核質或胞質[14]。核仁應激概括起來主要有4 個特點：①核仁體積變?。虎赗NA 聚合酶Ι（RNA Pol Ι）介導的rRNA 的合成被抑制；③核仁應激相關蛋白會發(fā)生核質轉位；④細胞周期阻滯[15-16]。核仁應激標志分子主要是一些在非應激狀態(tài)下定位于核仁表達的分子，當發(fā)生核仁應激時，這些分子會發(fā)生定位的變化以調節(jié)相關信號通路來應答核仁應激，近年研究工作主要集中于核仁磷酸蛋白1（Nucleophosmin 1，NPM1）[5]。NPM1也被稱作В23、No38 或Numatrin，屬于組蛋白分子伴侶超家族中的NPM 家族，該家族成員還包括NPM2、NPM3 及無脊椎動物NPM 樣分子，能夠參與核糖體生物合成、mRNA 加工、染色質重組、胚胎發(fā)育和核仁應激等過程[17-19]。小鼠敲除NPM1會導致其器官發(fā)育異常，尤其對于前腦的發(fā)育影響最大[18]。由此可見，NPM1 在正常生理過程中發(fā)揮著十分重要的作用。

抑癌基因p53能夠有效抑制癌癥的發(fā)生和發(fā)展，是細胞基因組或細胞自身主要監(jiān)測分子[20]。當細胞受到應激源刺激時，p53可能被有效激活，進而反式激活一些靶基因，從而促進DNA 的修復過程及引起細胞周期的阻滯，有的甚至會誘導細胞凋亡或自噬過程的發(fā)生。由此可見，p53 對于細胞命運的調控起著主要作用[21-23]。在正常生理條件下，癌基因鼠雙微體2（Murine Double Minute 2，MDM2，在人中為HDM2）能夠對p53 進行調控，其作為p53 的E3 泛素連接酶能夠對p53 進行泛素化降解，從而穩(wěn)定維持p53 的表達水平[24]。在正常生理條件下，核仁應激的標志分子NPM1 定位于核仁表達，當細胞內發(fā)生核仁應激時，NPM1 會瞬時由核仁穿梭到核質進行定位，與p53 競爭性結合MDM2，從而降低MDM2 對p53 的泛素化降解水平，最終導致p53 在細胞中大量積累[25]。NPM1-p53 信號調節(jié)通路是典型的p53 依賴性核仁應激調控通路，目前已在多種細胞系中得到證實。

在p53野生型細胞中核仁應激的調控較為復雜，當細胞中包含突變型的p53或無p53存在時，核仁應激對細胞周期的調控機制與p53 依賴性核仁應激的調控機制完全不同，該類型的核仁應激被稱為p53非依賴性核仁應激。有研究表明，在缺乏功能性p53 的人宮頸癌細胞（HeLa Cells）中核仁應激能夠引起細胞周期的阻滯以及細胞凋亡的發(fā)生[26-27]。此外，在p53敲除的細胞中抑制RNA 聚合酶Ι（RNA Pol Ι）的活性能夠引起轉錄因子E2F1 的表達下調，這主要是由于核糖體蛋白L11（Ribosomal protein L11，RPL11）的釋放所引起的，RPL11 被釋放后能夠與MDM2 結合，從而使MDM2 調控的E2F1 的穩(wěn)定性功能失活[28]。說明在p53 非依賴性機制的存在條件下，核仁應激與細胞周期阻滯能夠聯(lián)系在一起。又有研究表明，在p53敲除細胞中，核仁應激能夠致使原癌基因絲氨酸/蘇氨酸-蛋白激酶PΙMΙ 的不穩(wěn)定，從而引起p27Kip1 的水平上調，進而造成細胞周期的阻滯[29]。

2 核仁應激與腫瘤細胞

腫瘤細胞靶向治療方法一直是近幾年醫(yī)學領域的研究熱點，關于核仁應激對腫瘤細胞的調控研究也應運而生。抑癌基因p53能夠有效抑制腫瘤細胞的生長，因此，與核仁應激之間建立了必然聯(lián)系。腫瘤化療藥物ActD作為核仁應激的誘導劑之一，目前已被廣泛應用于核仁應激相關研究[9]。A549 肺癌細胞系經ActD 處理后，能夠引起p53 在Ser46 位點發(fā)生磷酸化，進而激活p53調控通路，引起細胞周期的阻滯[30]。正常生理條件下，細胞衰老抑制基因（Cellular Senescence-inhibited Gene，CSΙG）在人骨肉瘤細胞（U2OS）系中定位于核仁表達，該分子能夠參與多種生理調控過程，其中包括對肝細胞癌（Hepatocellular Carcinoma，HCC）增殖的調控[31-32]。U2OS 細胞經ActD 處理后引起核仁應激的發(fā)生，CSΙG 會瞬時由核仁穿梭到核質與MDM2 結合，進而引起p53 的累積，最終導致細胞周期的阻滯[31]。HeLa細胞在正常培養(yǎng)條件下能夠無限增殖，細胞周期正常循環(huán)進行，當細胞經0.04 μg/mL 的ActD 處理后能夠誘導核仁應激發(fā)生，細胞周期會明顯阻滯于G2 期，最終引起細胞凋亡的發(fā)生；進一步研究顯示，該過程是通過ATR（Ataxia Telangiectasia and Rad3-related Protein）-Chk1（Checkpoint Kinase 1）信號通路進行調控的[16]。

在癌細胞中抑制核糖體生物合成可能會降低蛋白質的合成率，并且會激活核糖體應激信號通路，這一發(fā)現(xiàn)將為用于治療癌癥的rRNA 轉錄小分子抑制劑的研發(fā)提供一定指導[33-34]。選擇因子1（Selectivity Factor 1，SL1）是47S pre-rRNA 合成過程中所必需的轉錄因子[35]，作為核仁應激的另一誘導劑，CX-5461 能夠有效阻斷SL1 結合到一些rDNA 基因的啟動子區(qū)域，從而阻止rRNA 轉錄的發(fā)生[36]。Вywater 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，CX-5461 能夠通過RPL5-RPL11 信號通路激活p53，從而誘導В 細胞淋巴瘤發(fā)生凋亡，將正常В 細胞分離出來。Sakaguchi 等[38]研究表明，小檗堿同樣能夠在人乳腺癌細胞（MCF7 Cells）中激活核仁應激RPL5-RPL11-p53信號通路，引起細胞周期的阻滯，最終導致細胞凋亡。DNA 嵌入劑ВMH-21 能夠有效抑制Pol Ι 的活性，進而抑制體內或體外癌細胞的生長[39]。盡管ВMH-21 能夠嵌入到DNA 并與GC 富集區(qū)高度親和，但這并不會引起顯著的DNA 損傷，但最終會激活p53，這一結果可能是通過核仁應激RPL5-RPL11-5S rRNA-MDM2-p53信號通路的調控來得以實現(xiàn)的[40]。因此，在避免正常細胞發(fā)生明顯的DNA 損傷或產生細胞毒性的前提下，可通過選擇性激活p53 依賴性或非依賴性的核仁應激來特異性抑制rRNA 的合成，以達到阻斷惡性腫瘤繼續(xù)發(fā)展的目的[41]。以上研究表明，核仁應激抑制腫瘤細胞的生長主要是通過激活p53 信號調控通路以及接下來細胞周期阻滯的誘導來實現(xiàn)的。目前，利用激活核仁應激p53 信號調控通路來抑制細胞增殖的特性，一些藥物在腫瘤細胞系中的實驗也取得了理想的結果[42-43]，這將為開發(fā)新的腫瘤治療藥物奠定一定基礎。

3 核仁應激與胚胎著床

活化的胚胎和處于接受態(tài)的子宮是妊娠成功建立的2 個同時必備的條件，胚胎與子宮之間精確對話建立的過程稱為胚胎著床（Embryo Ιmplantation）[44]。胚胎著床是一個較為復雜的過程，伴隨有形態(tài)學、生理學以及生物化學的改變，涉及一系列的信號轉導途徑，其中核仁應激與胚胎著床之間也存在著一定的調控關系，這在近期的研究中得到了很好闡述[5]。

Finn 等[45]研究發(fā)現(xiàn)ActD 能夠有效激活正常妊娠第4 天雙側卵巢切除鼠胚胎的著床，后來該結果在大鼠[46]中也得到了驗證。ActD 作為核仁應激誘導劑能夠激活延遲胚胎著床，并且核仁應激誘導上調的p53 分子是胚胎著床過程中的關鍵分子[47]，推測核仁應激與胚胎著床之間可能存在著某些調控關系[5]。近期研究表明ActD 能夠誘導小鼠和人的子宮內膜上皮細胞發(fā)生核仁應激，NPM1 由核仁穿梭到核質進而引起p53 的累積，并且能夠誘導子宮內膜接受態(tài)標志分子Lif 和p-Stat3表達水平的顯著上調[48-49]，從而促進子宮內膜接受態(tài)的建立，為胚胎的著床提供有利條件。NPM1 的功能被抑制后，小鼠的胚胎著床過程會受到嚴重損傷。在人子宮內膜上皮細胞中的研究表明，核仁應激能夠有效提高胚胎的黏附率，為胚胎的成功著床提供十分有利的條件；小鼠在正常妊娠過程中有核仁應激的發(fā)生，且出現(xiàn)在圍著床期；后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，胚胎分泌的乳酸是引起子宮內膜上皮細胞在正常生理條件下發(fā)生核仁應激的主要誘導因素之一[5]。該研究首次在小鼠模型和人細胞系中對核仁應激與胚胎著床之間的調控機制進行了研究。目前，在其他動物中關于核仁應激與胚胎著床之間的具體調控機制的研究未見報道。

4 小結與展望

綜上所述，核仁應激在腫瘤細胞系中的研究已廣泛開展，對于不同類型的腫瘤細胞可通過核仁應激相關調控通路誘導p53 的累積以引起細胞周期的阻滯，進而誘導細胞凋亡的發(fā)生，更深入地了解和研究核仁應激在誘導腫瘤細胞發(fā)生凋亡過程中的具體作用機制可為后期抗癌新藥物的開發(fā)和降低藥物副作用的研究提供新的理論基礎。核仁應激在胚胎著床過程中具有積極的促進作用，深入研究核仁應激在胚胎著床過程中的具體調控機制將有助于更好地理解動物早期妊娠的分子調控機制，為臨床上有關生殖的研究提供相關理論依據(jù)，但關于該方面的研究還較少，尤其是在家畜中還處于空白，在家畜中開展該方面的研究可為動物生產提供一定的理論指導意義。