真核细胞翻译起始因子5A（eIF5A）研究进展

双 宝，韩英鹏，李 明，李文滨*

（1.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

人们对细胞凋亡的研究过程中发现除了一些转录因子以外，在植物的木质部的发生和对病原体的过敏反应以及衰老等过程中，细胞的死亡或其他的生理变化还被一些调控翻译的因子所调节，其中最值得关注的就是真核细胞翻译起始因子5A（eIF5A）[1]。

真核细胞翻译起始因子5A（eIF5A）原名是eIF-4D，最早是从兔子网状红血球的核糖体上分离纯化出的一个分子质量较小（16～18 ku）[2]的真核生物和古生菌当中最保守蛋白之一[3]。它对细胞的持续性增殖起着关键性作用。尽管eIF5A在蛋白合成和其他细胞途径中扮演的确切角色还不清楚，但普遍认同的假说认为，eIF5A是辅助核糖体具有mRNA特异性的翻译因子[4]，能够刺激核糖体发挥功能[2]。除此之外，还有关于运输HIV-mRNA和mRNA的稳定性等功能的报道[5]。近年来发现，eIF5A还在细胞衰老和死亡以及一些植物环境胁迫应答方面有一定的作用，从而使人们更加关注eIF5A功能的研究，本文就这方面的研究进展做一综述。

1 真核细胞翻译起始因子5A（eIF5A)的激活

未经翻译后修饰的eIF5A是无活性的，eIF5A是唯一一个被认知的含有翻译后修饰形成的氨基酸衍生物羟腐氨酸[Hypusine，Nε-（4-氨基丁基-2-羟丁基）]赖氨酸的蛋白质[6]。而羟腐氨酸的合成在基因翻译后水平上分两步进行。第一步，脱氧羟腐氨酸合成酶（DHS，EC 2.5.1.46）在以NAD+为辅助因子的情况下，催化多氨基亚精胺的氨基丁基部分转化成一个ε－氨基酸族的单一保守的赖氨酸残基（存在于人类eIF5A中的Lys50），从而使其变成脱氧羟腐氨酸；第二步，脱氧羟腐氨酸残基中加上的4-氨基丁基端链上的二号碳在被依赖Fe（II）的脱氧羟腐氨酸羟化酶（EC 1.14.99.29）羟基化，完成羟腐氨酸的合成及eIF5A的激活，如图1所示[7]。

图1 eIF5A中羟腐氨酸生物合成的途径Fig.1 Scheme of hypusine biosynthesis in eIF5A

2 真核细胞翻译起始因子5A（eIF5A）的功能

2.1 起始蛋白质合成与核质转运

eIF5A最初在一个多核糖体结合的片段上被分离出来，是作为翻译因子的身份出现的[8]。它可能涉及第一个肽键的生成，酵母菌eIF5A在蛋白质合成中起关键的起始作用，它将与Met-tRNAi结合的eIF-2带离48S核糖体，组装60S核糖体，形成80S核糖体复合体并带有methionyl-tRNAi[9]，随即起始第一个肽键形成[10]。但是近期的体内试验数据已清楚表明，eIF5A不是大多数蛋白的起始因子。在没有eIF5A活性的酵母中，并不是所有蛋白质都不能合成，而是蛋白质合成仅下降了30%。这说明翻译的起始和延长可以在没有eIF5A或其浓度很低的情况下进行。但是eIF5A缺失的酵母最终是致死的[4-5]，一个明显的缺陷就是它的mRNA受损降解，尤其是那些生活周期短的mRNA[5]。有活性的eIF5A表现出促进特殊mRNA翻译的作用，DHS被灭活的酵母细胞不能分裂，而只是增大[11]。更多的证据表明，eIF5A通过促进特殊mRNA的核输出来促进蛋白质的合成[12]。也有人提出eIF5A作用涉及mRNA的转移[10]。植物eIF5A基因亚型的发现说明了不同的亚型促进了特殊生理学功能所需要的mRNA的翻译。这些特殊生理学功能中包括光合作用[7]。

有人推测eIF5A可能是细胞核与细胞质之间的转运蛋白。虽然eIF5A本身没有核定位信号（NLS），但其C端包含一段富含亮氨酸的结构域，与核运出信号（NES）极为相似[13]；电转化GFPeIF5A瞬时转染培养细胞后，通过免疫荧光与免疫胶体金电子显微镜观察发现起初eIF5A分布于全细胞，之后逐渐集中于细胞质，突变的eIF5A则分布于整个细胞[14-15]，因而认为eIF5A具有核质穿梭功能。也有研究不支持上述观点，认为eIF5A并不穿梭于细胞核与细胞质之间，可能与ER相互作用影响蛋白质合成[16]；在eIF5A细胞亚定位研究中发现，eIF5A并不参与HIV Rev蛋白的核运出[17]。所以eIF5A是否具有核质穿梭能力，目前还没有定论。

2.2 促进细胞增殖

eIF5A刺激乙硫磷化嘌呤霉素的合成反应的活性是需要羟腐氨酸（Hypusine）的，而乙硫磷化嘌呤霉素的合成反应是测验第一肽腱形成的模式分析方法[18]。修饰过的eIF5A对哺乳动物[19]、酵母[20]、古细菌[21]的持续性细胞繁殖都很重要。不论对酵母Saccharomyces cerevisiae eIF5A基因（TIF51A和TIF51B）的破坏还是用沉默的eIF5A基因（第50个赖氨酸突变成精氨酸）替换都会导致生长停滞。同样，单一DHS基因的失活或用编码失活酶蛋白的基因替换时也会使酵母停止生长，所以eIF5A是细胞增殖所必需的[11]。

DHS有效的抑制剂和脱氧羟腐氨酸羟化酶抑制剂表现出强烈的抑制增殖的作用，并且使包括多种人体癌细胞系在内的哺乳动物细胞停留在细胞周期的某一时期[22]。作为对抗癌药物干扰素α（IFNα）的反应，羟腐氨酸合成的减弱看上去是伴随着对细胞调亡的诱导而产生的。此外，DHS的抑制剂，N1-脒基-1，7－二氨基戊烷在抑制细胞生长和引起调亡中表现出同IFNα的协同性[1]。与此同时，这个发现暗示着eIF5A与细胞的增殖和表达失常有着密切的关系，可能从而就导致细胞的癌变。

DHS突变的酵母中，细胞停止生长，细胞体积增大，所以eIF5A被DHS修饰为有活性的形式对细胞增殖是必需的[11]。在对哺乳动物细胞的研究中，羧腐氨酸的合成速率或者合成时间（即eIF5A活化过程）与细胞的分裂进程紧密相关，所以它可能在细胞分裂增殖过程中有着重要作用[8,11]。当eIF5A在酵母细胞中缺失时，G1期捕获细胞数目增加，哺乳动物细胞中羟腐氨酸累积，使得细胞增殖被抑制[23]。在细胞周期中肌动蛋白的极性化是G1/S转化期必需的，而被DHS活化的eIF5A参与建立肌动蛋白的极性，就是说eIF5A是细胞周期中G1期到S期转化的必需的因子之一[24]。

在玉米的卵细胞周期中，eIF5A表达方式也与体细胞周期中的不同：在G0期的卵细胞中高水平转录，而得到的悬浮细胞中转录水平较低。在体细胞周期中，eIF5A在G1期被强烈诱导，在S、G2和M期持续减少，直到下一个周期的G1期重新诱导[25]。

2.3 调控细胞衰老、细胞死亡及抵抗环境胁迫

在植物中，迄今为止人们已经从拟南芥[26]、紫花苜蓿[27]、烟草[7]、玉米[25]、番茄[28]和水稻[29]中分离了eIF5A基因。已有文献表明eIF5A的表达存在间歇和短暂的差异，抑制eIF5A的活性将会导致多重作用。转录分析表明，烟草中的两个的eIF5A基因NeIF5A1和NeIF5A2的表达存在差异。NeIF5A1更倾向于在光合作用的组织中表达，而NeIF5A2则是在所有检测的植物组织中组成型表达[7]。两种水稻的eIF5A基因，OseIF5A1和OseIF5A2，在水稻的叶子和花序中都表达，而且在衰老的叶子中，这两种基因都有较高的表达量。另外，在水稻叶子的发育期间OseIF5A1和OseIF5A2都有间歇的调控[29]。近期，人们在番茄组织中发现了eIF5A的表达与细胞的程序死亡存在相关性，所以认为羟腐氨酸修饰的eIF5A可能促进细胞程序死亡所需要的mRNA的翻译[28]。在衰老的番茄花、子叶、果实以及因环境胁迫而发生细胞程序性死亡的叶片中，DHS和eIF5A及它们的同源蛋白的转录水平明显增加，由此推断eIF5A可能参与植物自然衰老及环境诱导的细胞程序性死亡[30]；在拟南芥上的试验结果表明，DHS和eIF5A在衰老的叶片中有两个表达高峰，可能与叶片细胞死亡过程中生物大分子分解及营养物质重新分配有关；通过组成型表达一个反义DHS基因来降低拟南芥中内源DHS蛋白和相应活化的eIF5A的水平，这对拟南芥的生长和发育产生了强烈的影响，例如，延缓了叶子的衰老，增加了抗旱性，增强了种子的产量[26]。此外在成熟的凤梨果实中检测到eIF5A的大量表达[31]。Thompson等发现拟南芥中存在3个表达特征不同的eIF5A编码基因[32]，Western杂交分析表明，eIF5A1只在衰老组织中表达，eIF5A2在受机械损伤的组织中高水平表达，而eIF5A3在细胞分裂很活跃的吸胀的种子中高水平表达。过量表达eIF5A3的拟南芥中，花瓣从正常的4瓣变成5瓣，叶子变为并生叶，种子变大，为原来的2倍，这说明eIF5A3可能在发育早期就可促进细胞分裂。这项研究暗示植物中不同eIF5A异构体分别与细胞分裂或细胞死亡有关，即在拟南芥中有两种eIF5A异构体与细胞死亡有关，而另一种eIF5A与细胞分裂有关，认为eIF5A与植物的生长和发育相关，eIF5A调控植物细胞的衰老。

最近的一项研究表明，拟南芥中三种eIF5A基因之一的拟南芥eIF5A2显示出能够调控由有毒力的Pst DC3000侵染所引起的细胞程序死亡。AteIF52组成型过量表达的转基因植株确实表现出了与早熟型细胞死亡相一致的表型。这些结果说明在植株中，拟南芥eIF5A2是引起细胞程序死亡的信号传导途径的一个关键因素[33]。

3 结语

eIF5A基因发现至今，一直受到广泛关注，包括动、植物，人体内的eIF5A不断被克隆和分析。最受关注的热点研究方向主要集中在人体eIF5A在癌症细胞发育中的作用以及相关领域的研究和植物eIF5A基因在植物生长发育中的重要作用以及相关应用方向的初步研究。

就eIF5A的功能而言，以蛋白质合成起始功能为基础，通过促进一些特异mRNA的转移及相关特异基因的表达来促进细胞的增殖或者细胞的衰老、死亡，或者产生环境胁迫的应答和抵抗能力。

在很多植物种的研究过程中发现，eIF5A基因往往存在2～4个亚型不等，而初步研究证明其每种亚型在生物体内的功能都有所不同。所以，对每个物种体内的eIF5A基因所有异构体进行克隆和功能的进一步研究，并通过促进某些亚型的表达或者抑制某些亚型的表达，有可能获得产量提高或者对环境胁迫的抗性强化的品种，实现eIF5A基因在生产实际中的有效应用。

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