從核糖體病角度認識癌癥機制的研究進展

仵思凡，陳家瑞，焦 哲，喬 蓉，秦鴻雁，王 亮(空軍軍醫(yī)大學基礎醫(yī)學院醫(yī)學遺傳與發(fā)育生物學教研室，陜西 西安 710032)

核糖體病是指核糖體的合成或功能存在缺陷的疾病。1998年首次報道了先天性角化不良的病理生理學機制是核糖體生物合成障礙[1]。此后關于核糖體病的報道飛速增長，包括DB貧血(Diamond-Blackfan anaemia，DBA)、SD綜合征(Shwachman-Diamond syndrome，SDS)、TC綜合征(Treacher Collins syndrome，TCS)、5q-綜合征、先天性角化不良以及軟骨-毛發(fā)發(fā)育不良-厭生性發(fā)育不良(cartilage-hair hypoplasia-anauxetic dysplasia，CHH-AD)等。然而，核糖體合成缺陷與臨床表現(xiàn)的聯(lián)系并不清晰，能否把這些疾病定義為核糖體病還不確定。比如DBA、SDS和TCS都發(fā)生了與核糖體生物合成相關基因的突變，這些基因互相關聯(lián)，因而核糖體生物合成的缺陷是這些疾病的主要機制。然而，X-連鎖先天性角化不良(X-linked dyskeratosis congenita，XL-DC)和CHH-AD發(fā)生突變的基因不僅具有核糖體生物合成的功能，還兼有其他功能，所以核糖體缺陷只能被認為是這些疾病的主要因素之一。此外，在一些疾病中，僅發(fā)現(xiàn)了與核糖體合成相關的單個基因的突變，至于它們是否應該被歸類為核糖體病還存在一定程度的不確定性。本文重點討論的是明確的核糖體生物合成相關基因發(fā)生突變的疾病。

除TCS外，核糖體病最大的特征就是遺傳性骨髓衰竭綜合征(inherited bone marrow failure syndromes，IBMFSs)，值得注意的是IBMFSs患者具有顯著增高的癌癥傾向。核糖體病與癌癥的聯(lián)系更加讓人們認識到，核糖體生物合成相關基因突變可能是癌癥發(fā)生的驅動因素之一。最新研究表明，癌細胞含有一類特殊的核糖體即癌核糖體，其可促進致癌基因翻譯程序、調(diào)節(jié)細胞功能以及促進代謝重組[2]。核糖體蛋白、核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)加工和核糖體組裝因子的突變導致核糖體病，與惡性腫瘤發(fā)展風險增加相關。本文綜述核糖體病的病理生理學機制和致癌機制，為更普遍的癌癥發(fā)生機制提供新的見解。

1 核糖體的生物合成

核糖體的生物合成是一個多步驟的過程，開始于核仁、結束于細胞質，該過程由多個檢查點和監(jiān)視途徑嚴格控制。真核生物的核糖體由4個rRNA和80個核糖體蛋白構成，包括60S大亞基和40S小亞基。其中，60S大亞基由RNA聚合酶Ⅰ產(chǎn)生的5.8S rRNA和28S rRNA、RNA聚合酶Ⅲ產(chǎn)生的5S rRNA以及RNA聚合酶Ⅱ產(chǎn)生的47個蛋白構成；40S小亞基由RNA聚合酶Ⅰ產(chǎn)生的18S rRNA以及RNA聚合酶Ⅱ產(chǎn)生的33個蛋白構成。

核糖體的生物合成開始于RNA聚合酶Ⅰ轉錄出包含18S rRNA、5.8S rRNA和28S rRNA的47S pre-rRNA。33個核糖體小亞基蛋白(ribosomal protein small subunit，RPS)與18S rRNA結合形成40S小亞基，47個核糖體大亞基蛋白(large subunit ribosomal proteins，RPLs)、5.8S rRNA、28S rRNA和5S rRNA結合成60S大亞基；最后40S小亞基和60S大亞基結合，成為成熟的80S核糖體最終發(fā)揮翻譯功能。rRNA還需經(jīng)歷廣泛的轉錄后修飾，主要是偽尿?；秃颂?’-O甲基化(ribose 2’-O methylation，2’-O-Me)，這些修飾由核仁中RNA和蛋白構成的復合體所介導[3]。

因此，成熟核糖體的合成需要三種RNA聚合酶、大約200個加工因子和80個核糖體蛋白的協(xié)同進行，RNA聚合酶Ⅰ對47S rRNA的轉錄被認為是核糖體生物發(fā)生的一個限速和關鍵步驟。在癌癥中，信號通路失調(diào)、代謝重編程和非編碼RNA的異常表達促進了RNA聚合酶Ⅰ的轉錄活性，導致核糖體生物發(fā)生過度激活[4-5]。

2 核糖體病與癌癥

2.1 DBA

DBA是一種IBMFSs，典型表現(xiàn)為出生后第一年紅細胞發(fā)育不全。同時表現(xiàn)出異質性先天畸形，包括顱面、心臟、泌尿生殖系統(tǒng)、四肢和手部畸形。突變基因包括RPS7、RPS10、RPS15A、RPS17、RPS19、RPS24、RPS26、RPS27、RPS28、RPS29、RPL5、RPL11、RPL15、RPL18、RPL26、RPL27、RPL31、RPL35、RPL35A以及TSR2之中的任何一個，這些基因和RPS、RPLs的合成相關[6]。核糖體蛋白的選擇性功能缺陷會影響組成對應的核糖體亞基，最終導致細胞內(nèi)功能成熟的80S核糖體數(shù)量減少[7]。DBA易發(fā)展為骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndrome，MDS)、急性髓系白血病(acute myeloid leukaemia，AML)和實體瘤，如骨肉瘤和結腸癌。DBA的癌變發(fā)生率為3%～5%[8-9]。

2.2 SDS

SDS也是一種IBMFSs，特征表現(xiàn)為中性粒細胞減少或多系細胞減少、外分泌胰腺功能障礙和干骺端軟骨發(fā)育不良。近90%患者發(fā)生SBDS基因突變[10]。此外，EFL1和DNAJC21也與SDS相關，它們和SBDS共同參與60S核糖體亞基的成熟[11]。SDS易發(fā)展為MDS和AML，在20歲和30歲時的癌變風險分別為19%和36%[12]。

2.3 XL-DC

XL-DC也是一種IBMFSs，臨床癥狀包括異常皮膚色素沉著，指甲異常和口腔黏膜白斑。XL-DC通常被歸為核糖體病，因為受影響的DKC1基因編碼角化不良蛋白，這是一個與核糖體生物合成和功能相關的假尿苷酸合酶。此外，編碼端粒酶的基因TERC、TERT和其他端粒維持相關基因TINF2、POT1、ACD、RTEL1、NAF1、NOP10、NHP2、WRAP53、CTC1和PARN也是XL-DC的主要突變位點[13]。值得注意的是，核糖體合成障礙對XL-DC的臨床表現(xiàn)只作為次要因素，而非主要因素。

XL-DC易發(fā)展成MDS、AML和頭頸部腫瘤。未經(jīng)骨髓移植的XL-DC患者的癌癥發(fā)生率接近10%，略高于DBA和SDS[8]。

2.4 CHH-AD

CHH-AD表現(xiàn)為毛發(fā)發(fā)育不良、骨髓衰竭和免疫缺陷。RMRP的等位突變造成CHH-AD的發(fā)生。RMRP編碼核糖核酸酶MRP復合物的非編碼RNA亞單位，后者通過促進ITS1的裂解事件參與早期前rRNA的成熟，進而產(chǎn)生成熟18S rRNA[14]。與XL-DC一樣，CHH-AD受影響的基因具有多種功能，核糖體生物合成只是其紊亂的功能之一。了解這些受不同程度影響的核糖體功能如何導致臨床表現(xiàn)和癌變傾向是非常困難的。

CHH-AD的癌癥發(fā)病率為11%，包括血液系統(tǒng)惡性腫瘤和實體瘤[15]。

3 核糖體病的機制

3.1 核糖體病的病理生理學機制

3.1.1 核仁應激和p53激活 核仁應激這一術語被用來描述從核糖體合成失敗到p53激活以及隨后的細胞周期停滯或凋亡的信號傳遞途徑。研究表明，p53激活可能在核糖體病的病理生理學中發(fā)揮重要作用。

E3泛素連接酶MDM2在蛋白酶體中靶向破壞p53，維持非應激細胞中p53處于較低水平，是p53水平的關鍵調(diào)節(jié)因子。核糖體蛋白RPL5、RPL11和5S rRNA形成的5S-RNP復合物可能是核仁應激狀態(tài)下p53激活的主要因素。研究表明，p53對RPLs的誘導作用最強，這些蛋白也被證明是核仁完整性所必需的，這種誘導依靠RPL5和RPL11[16]。核仁應激模型顯示，由于核糖體組裝障礙，導致5S-RNP復合物積累，進而激活p53，最終導致細胞周期阻滯和細胞凋亡。

考慮到RPL5和RPL11已被證明在DBA患者中具有致病性突變，這讓5S-RNP的病理生理學作用變得復雜。RPL5或RPL11的失功能性突變依舊能夠干擾亞復雜信號和p53激活，表明一定有其他的機制導致BDA患者的臨床表型。已有報道顯示，RPL5和RPL11的突變并沒有通過p53的激活阻滯細胞周期，而是通過限制翻譯來減少細胞周期進程。

3.1.2 翻譯改變 在DBA中，任何一種核糖體亞基的許多核糖體蛋白都受到了影響，這表明受影響的是普遍性翻譯能力，而非特定核糖體結構。事實上，核糖體功能總水平的降低可以選擇性地影響特定mRNA群的翻譯，潛在地影響細胞的命運[7，17]。比如RPS19、RPL5和RPL11水平的降低選擇性地減少了GATA1的翻譯，這與DBA的病理生理有關[18]。GATA1有一個高度結構化的5′ 端，可以干擾正常翻譯的起始，該結構也是它對功能性核糖體水平降低如此敏感的原因。DBA患者紅細胞特異相關翻譯缺陷的原因之一就是GATA1的缺陷，此外還包括HSP70(也稱為HSPBP1)、BAG1和/或CSDE1和珠蛋白多肽的缺陷[18]。

除了核糖體數(shù)量減少引起的普遍性翻譯能力降低外，核糖體特定功能的改變同樣是核糖體病的病理生理學機制之一。以往研究表明，DKC1突變會引起rRNA中假尿苷水平降低，進而干擾含有內(nèi)部核糖體進入位點(internal ribosome entry site，IRES)的mRNA翻譯以及核糖體翻譯的準確性。其中一些mRNA編碼關鍵的細胞周期調(diào)控因子，這些調(diào)控因子的失調(diào)能夠促進XL-DC癌變和表型改變。

3.2 核糖體病的癌變機制

核糖體病核仁應激和p53激活、翻譯改變的病理生理學機制也可能是癌癥發(fā)病率增加的原因。此外，癌癥發(fā)病率增加可能涉及這兩種機制的綜合。

異常細胞的生長和增殖依賴于增加的蛋白質合成和過度活躍的翻譯，這需要過度活躍的核糖體生物合成。

3.2.1 選擇性丟失p53功能 p53激活影響不同細胞譜系中的促凋亡細胞，這是核糖體病與癌癥最明顯的聯(lián)系。p53激活與DBA38、SDS73、TCS74和XL-DC75的病理生理有關。研究表明p53失活能夠解救各種疾病模型，可見p53激活在這些疾病中起著最重要、最明顯的作用。p53功能選擇性喪失是核糖體病患者體內(nèi)受損細胞的一種生存手段，可以使患者血液病得到緩解或成為不受影響的攜帶者，但同時p53的抑癌基因功能也丟失了，這導致癌癥風險的增加[19]。關于SDS患者造血干細胞的研究顯示，克隆性造血與p53高突變密切相關[20]。5q-綜合征患者進展為AML的風險通常較低，預后良好，但約20%的患者發(fā)生TP53突變、進展為AML的風險顯著增高[11]。上述結果表明，p53突變雖然可以作為受損細胞的一種生存方式，但同時也是癌變的機制。

3.2.2 翻譯紊亂 核糖體合成或功能缺陷可能會錯誤翻譯致癌基因或腫瘤抑制因子，進而促進癌癥，最終導致癌癥發(fā)生。這些影響可以是定性的，比如XL-DC患者核糖體結構和功能的改變干擾了包含IRES的mRNA翻譯，其中一些正是抑癌基因；也可以是定量的，比如前文提到的核糖體數(shù)量減少導致普遍性翻譯水平下降，進而改變了mRNA相互競爭翻譯的微環(huán)境，選擇性地影響特定mRNA的翻譯最終促進癌變發(fā)生。

3.2.3 合成缺陷 核仁應激和核糖體翻譯的定量或定性缺陷引起的與翻譯相關的信號機制可能是核糖體合成缺陷導致癌癥的機制。核糖體數(shù)量減少和p53增加能夠產(chǎn)生低增生細胞類群并降低細胞的競爭優(yōu)勢，這是受損細胞克服生長障礙而存活的一種生存手段。但受損細胞的存活以及其他事件可能涉及致癌基因的激活和失去對其他腫瘤抑制因子的抑制，最終這些受損細胞轉變?yōu)槟[瘤發(fā)生相關的高增殖表型并增加核糖體的生物合成。這些事件可能由翻譯機制的特定變化引起，包括翻譯保真度降低、隨后錯誤暫時影響所有蛋白質組功能、核糖體數(shù)量的普遍減少和細胞內(nèi)mRNA翻譯環(huán)境改變。上述結果在一定程度上解釋了Dameshek’s riddle，即具有低增殖表型的疾病如何轉變?yōu)榘┌Y和高增殖表型[2]。根據(jù)上述模型，蛋白質合成或mRNA選擇性翻譯缺陷會導致細胞逐漸惡化，造成細胞內(nèi)環(huán)境的不穩(wěn)定，進而為腫瘤的發(fā)生創(chuàng)造有利條件。

3.2.4 異質性核糖體 研究表明核糖體具有異質性組成，而非一成不變的保守性翻譯機器，這種異質性可以調(diào)節(jié)翻譯和蛋白質合成速率。異質性組成源于組成核糖體任何成分的變異，包括rRNA修飾、rRNA變異、核糖體蛋白質的化學計量學和副同源、翻譯后修飾和核糖體相關蛋白質。這種組成的變化有助于產(chǎn)生特殊功能核糖體，或者在癌癥的情況下產(chǎn)生“癌核糖體”[21]。METGE等[22]發(fā)現(xiàn)，當癌細胞暴露于應激環(huán)境中時，例如缺氧，rRNA會獲得不同的甲基化模式，并產(chǎn)生一個特殊的核糖體亞群，能夠執(zhí)行IRES介導的翻譯。研究發(fā)現(xiàn)，rRNA 2’-O-Me在乳腺癌患者的腫瘤樣本、腫瘤分期和亞型之間存在顯著差異[23]，比如負責18S rRNA中尿苷116殘基2’-O-Me的SNORD42A在AML患者中高表達，敲除SNORD42A會降低細胞生長和整體蛋白質合成[24]。

3.2.5 癌癥轉移中核糖體生物合成的變化 癌細胞的遠處轉移需要一系列精確編排的事件，已經(jīng)被充分研究的事件之一是上皮細胞-間充質轉化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)。EMT是一個重要的進化保守程序，協(xié)調(diào)了形態(tài)和器官發(fā)生的重要過程，并在癌癥發(fā)生過程中得到進一步總結[25-27]。EMT、核糖體生物合成和rRNA轉錄調(diào)控之間的聯(lián)系早有報道。Wnt5a通過將Disheveled 1定位到rDNA來抑制其轉錄，與Wnt5a在乳腺癌中已知的減少乳腺癌的遷移和侵襲功能相一致。研究表明，EMT誘導導致rRNA合成增強，與間充質表型的經(jīng)典特征一致；抑制rRNA合成阻礙了EMT過程并抑制了乳腺癌轉移[28]。另一方面，在MCF7細胞中，加入外源提供的核糖體可誘導EMT，伴以ERα抑制為標志的亞型轉分化[29]。最近發(fā)現(xiàn)了EMT期間La相關蛋白6的上調(diào)能夠驅動轉移癌細胞中核糖體蛋白的定位，具體表現(xiàn)為核糖體蛋白重新定位到細胞前突從而增強核糖體生物合成，并允許特定mRNA亞群優(yōu)先翻譯，最終加劇轉移潛力[30]。這項工作進一步支持了核糖體相關蛋白的重要性，并強調(diào)了EMT對核糖體蛋白含量變化的影響，以及將癌細胞轉變?yōu)楦叨冗w移和侵襲性狀態(tài)的重要作用。此外，EMT的表觀遺傳調(diào)控也是核糖體合成的重要調(diào)控點，最新研究顯示rDNA的表觀遺傳調(diào)節(jié)與癌細胞遷移密切相關。EZH2是多梳抑制復合體2的酶催化亞基，是影響腫瘤進展的各個方面的主要表觀遺傳因子，調(diào)控負責rDNA位點甲基化的長鏈非編碼RNA而抑制核糖體生物合成[31]。這表明rDNA表觀遺傳調(diào)控與EMT之間的相互作用可能引發(fā)癌細胞轉移。這些研究強調(diào)了表觀遺傳修飾和核糖體相關蛋白是癌細胞操縱細胞行為，比如EMT等，進而促進癌癥轉移的物質基礎，針對EMT期間誘導核糖體生物合成的治療可能是一部分患者的可行方法。顯然，還需要更細致的研究才能解開EMT與核糖體生物合成之間深層關系。

3.2.6 TSC難題 TCS是惟一一種已知的特征明確的核糖體病，但與其他核糖體病不同的是，它不表現(xiàn)出骨髓衰竭或易感癌癥的現(xiàn)象。TCS和DBA的發(fā)病機制之間有明顯的相似之處，但TCS并沒有癌癥易感性，這提示DBA和TCS之間還存在其他不同的發(fā)病機制。與DBA一樣，p53激活的作用也在TCS小鼠模型中得到了證實。在細胞系統(tǒng)中，大量研究已經(jīng)證明了5S-RNP在RNA聚合酶Ⅰ的轉錄抑制引起的核仁應激信號傳導中所起的作用[32]。RNA聚合酶Ⅰ活性的降低抑制了rRNA的產(chǎn)生，造成未形成核糖體的5S-RNP積累，使其能夠抑制MDM2，最終導致p53激活。考慮到TCS、DBA和5q-綜合征的病理生理學機制之間的相似之處，特別是關于p53活性喪失是潛在的細胞生存手段，TCS患者不具有癌癥易感性這一現(xiàn)象還需要深入的研究去揭示其潛在的分子機制。雖然TCS、DBA和5q-綜合征都影響核糖體合成，但TCS是通過減少核糖體組裝開始時新生的47S-pre-rRNA轉錄來干擾核糖體合成，而DBA和5q-綜合征是在核糖體組裝開始后，通過干擾前核糖體成熟干擾正常核糖體生物合成過程。

4 靶向核糖體治療

抑制RNA聚合酶Ⅰ轉錄能夠觸發(fā)核仁應激，進而導致核糖體蛋白從核仁轉位到核質，其中RPL5和RPL11等蛋白與MDM2結合，觸發(fā)其解離，最終刺激p53。因此，抑制RNA聚合酶Ⅰ用于癌癥治療的概念吸引了研究人員設計靶向RNA聚合酶Ⅰ的特定抑制劑，并期望正常細胞能夠幸免，因為它們對RNA聚合酶Ⅰ轉錄活性的依賴程度遠低于癌細胞。

CX-5461是第一個選擇性口服RNA聚合酶Ⅰ轉錄抑制劑[33-34]，通過擾亂SL1-rDNA復合物，降低上游結合轉錄因子的穩(wěn)定性，從而降低RNA聚合酶Ⅰ募集到rDNA啟動子的數(shù)量[34]。在黑色素瘤和胰腺癌的臨床前模型中，CX-5461顯示出顯著的抗腫瘤活性，而且無論p53突變狀態(tài)，都能在癌細胞中誘導出強大細胞毒性。CX-5461在AML和多發(fā)性骨髓瘤中也表現(xiàn)出臨床療效[35-36]。

BMH-21是另一種有效的小分子RNA聚合酶Ⅰ轉錄抑制劑，通過篩選p53通路激活被發(fā)現(xiàn)[37]。BMH-21通過降解RPA194而抑制RNA聚合酶Ⅰ轉錄，進而導致p53激活[38]。在各種臨床前研究中，BMH21對不同的血液病和實體腫瘤顯示出有希望的治療效果[39]。

5 結束語

核糖體通過翻譯過程與整個蛋白質組密切聯(lián)系，是絕大多數(shù)細胞不可或缺的核心細胞器。但也正因為核糖體太過常見，以至于長期以來的研究忽視了其在癌癥發(fā)生機制中所起的重要作用。大量研究表明，核糖體合成的增長是腫瘤組織快速生長的一個關鍵因素。比如，明確的致癌基因MYC就是核糖體合成的關鍵調(diào)節(jié)因子。不過，核糖體生成和功能變化究竟是腫瘤發(fā)生的被動的下游效應子，還是在腫瘤發(fā)生中更主動的上游驅動因素之一？這些問題亟待回答?？紤]到絕大多數(shù)核糖體病都有易感癌癥的現(xiàn)象，核糖體合成的相關因素確實可能對腫瘤發(fā)生起驅動作用。在散發(fā)癌癥中觀察到存在核糖體蛋白基因突變的現(xiàn)象使這一觀點得到越來越多的支持。

核糖體蛋白的異常在多種核糖體病和癌癥中都有記錄。這提示監(jiān)測核糖體蛋白在預測腫瘤細胞的放、化療敏感性方面具有潛力。研究核糖體蛋白基因篩查在初期癌癥患者治療中是有前景的。此外，腫瘤細胞群的多樣性也增加了核糖體的異質性和復雜性。因此，定義一個獨特的事件來靶向腫瘤中所有細胞的核糖體生物合成是具有挑戰(zhàn)性的。令人鼓舞的是，已有使用選擇性RNA聚合酶Ⅰ抑制劑CX-5461治療血液系統(tǒng)惡性腫瘤的臨床試驗，并系統(tǒng)性地測試針對惡性腫瘤疾病模型的治療效果[35-36，40]。核糖體病的病理生理學機制為癌癥發(fā)生機制的研究提供了一個長期被忽略的方向，針對核糖體病發(fā)病機制的靶向治療是極具前景的癌癥治療策略。