核糖体合成调控蛋白RRS1的功能及其与疾病的关系

杨爱清 综述；贺福初，周钢桥 审阅

1.北京工业大学 生命科学与生物工程学院，北京 100124；2.军事医学科学院 放射与辐射医学研究所，北京蛋白质组研究中心 蛋白质组学国家重点实验室，北京 102206

核糖体是蛋白质生物合成的场所。在真核细胞中，核糖体由60S 大亚基和40S 小亚基2 个核糖核蛋白亚基组成，共包含了79 种核糖体蛋白（rRNP）和4种核糖体RNA（rRNA）。核糖体的生物合成不仅需要这些核糖体蛋白和核糖体RNA，还需要核糖体合成相关蛋白的参与。1999 年，Tsuno 等在酵母中发现了一个新的核糖体合成调控蛋白，命名为核糖体合成调控因子1（regulator of ribosome synthesis 1，RRS1）。RRS1 的主要生理功能是在核糖体的生物合成过程中参与25S rRNA 的成熟和60S 核糖体大亚基的装配。近年来的研究显示，RRS1还在细胞周期调控中参与了染色体的中板聚集和端粒的聚集。此外，RRS1的异常可能在亨廷顿病和肿瘤等疾病的发生发展中起重要作用。

1 RRS1基因的结构及编码蛋白的特征

人源RRS1基因定位于染色体18q13.1 区域，基因组全长1714 bp，仅包含1 个外显子。在mRNA 水平，RRS1基因只有1 个转录本，没有其他剪接体形式。该转录本的开放读框（ORF）长度为1079 bp（NCBI 登录号：NC_000008.10），编码含有365 个氨基酸残基的蛋白质，相对分子质量为41 193。RRS1蛋白C 端的第302～365 位氨基酸残基部分是一个富含精氨酸-甘氨酸-赖氨酸（Arg/Gly/Lys）的区域。RRS1 的N 端第1 位蛋氨酸残基受乙酰化修饰，C 端第344位精氨酸残基则是一个磷酸化修饰位点。

2 RRS1的生物学功能

2.1 参与核糖体的生物合成

细胞增殖需要大量的核糖体以合成蛋白质，因此，核糖体生物合成过程的调节是至关重要的[1]。研究表明，RRS1在核糖体生物合成中的作用主要是参与25S rRNA 的成熟和60S 核糖体大亚基的装配[2]。Tsuno 等发现，失活的RRS1 可导致酵母菌株中新生成的25S rRNA 的不稳定性[2]。在酿酒酵母60S 核糖体亚单位的合成过程中，RRS1 与核糖体产物因子2（ribosome production factor 2，RPF2）相互作用招募RPL5、RPL11和5S rRNA 进入含35S pre-rRNA 的90S 前核糖体中，之后90S pre-rRNP 依次经过27SA2、27SA3、27SB和25.5S 过程，形成成熟的60S核糖体亚单位[3-5]。当RRS1 与RPF2 不能相互作用并招募RPL11、RPL5、5S rRNA 进入90S pre-rRNP时，35S、27SA2、27SA3 pre-rRNA 过程能够顺利进行，但27SB pre-rRNA 过程被阻断，流产的prerRNA 从核仁输出到核质，但是不能输出到细胞质，从而影响60S核糖体亚单位的生物合成[6]。

2.2 参与细胞周期中染色体在赤道板的聚集和端粒聚集

有丝分裂过程可分为间期、前期、中期、后期和末期。在有丝分裂前期，染色体开始在细胞核内凝聚，并逐步聚向赤道板；在有丝分裂中期，所有的染色体都排列在赤道板上[7]。Gambe 等利用RNA 干扰（RNAi）技术抑制HeLa 细胞系中RRS1 的表达，发现处于前中期的细胞比例升高，赤道板上的染色体排列发生异常；同时，通过活细胞成像技术发现从前中期到后期的有丝分裂过程受到延迟[8]。染色体在赤道板的聚集需要依靠姐妹染色单体的凝聚力，使所有的染色体都正确地附着到纺锤体微管上，而姐妹染色单体的过早分离会导致部分染色体在赤道板上异常排列[9]。RRS1 被敲低的HeLa 细胞经秋水仙素和MG132 分别处理后，均能发现姐妹染色单体过早发生分离，同时，存在于着丝粒上保护姐妹染色单体凝聚力的Sgo1 蛋白（Shugoshin 1）也显著减少。这一系列现象证明RRS1 在细胞周期中参与染色体在赤道板的聚集作用[8]。

端粒位于染色体末端，由TTAGGG 重复序列和相关蛋白质组成，通过形成帽子结构防止染色体末端被破坏，从而保持染色体的稳定性[10-11]。在酵母有丝分裂过程中，端粒通过沉默信息调节蛋白（silent information regulator，Sir）4和酵母Ku（yKu，yKu70/yKu80 异质二聚体）2 条锚定通路，在细胞核的外周锚定成簇。在有丝分裂S期，Sir4和yKu 都部分与核膜跨膜蛋白s3（membrane protein s3，MPs3）的N 端相互结合，创建出一个独立的亚核空间，存储处于游离状态、等待锚定的端粒[12-15]。MPs3 蛋白N 端的缺失极大地影响了端粒的锚定[12]。Horigome 等提出，EBNA1 结合蛋 白2（EBNA1 binding protein 2，EBP2）与RRS1 参与了端粒的这种结构，他们发现EBP2 与RRS1 既能与MPs3 相互作用，又能与Sir4 的C 端相互作用，把EBP2 与RRS1 突变失活，酵母端粒的聚集受到破坏。因此，RRS1 与EBP2 不仅参与核糖体生物合成过程，同时也影响端粒的聚集作用[16]。

3 RRS1与疾病的关系

3.1 RRS1与亨廷顿病的发生相关

亨廷顿病（Huntington disease，HD）是一种以不自主运动精神异常和进行性痴呆为主要临床特点的显性遗传性神经系统变性病，其发生机理涉及内质网（endoplasmic reticulum，ER）应 激（ER stress，ERS）反应的异常[27-28]。ER 是哺乳动物细胞中重要的细胞器，对影响细胞内能量水平、氧化/还原水平和钙离子浓度异常等的应激极其敏感。当细胞受到某些刺激（如缺氧、药物毒性等）后，ER 内的氧化/还原环境受到破坏，钙代谢失调，导致ER 功能发生紊乱，进而诱发细胞凋亡。因此，ER 应激异常与多种疾病的发生发展密切相关，常见于精神系统变性疾病、糖尿病、病毒感染性疾病以及一些化学药物中毒引起的疾病等[29-30]。研究发现，在3 周龄的纯合子和杂合子Hdh 鼠（亨廷顿病小鼠模型）的脑组织中，RRS1的mRNA 水平显著上升；同时临床样本检测发现，与同龄的健康个体相比，亨廷顿病患者的脑组织中RRS1的表达水平显著上调，提示其与亨廷顿病的发生相关[31]。在患有亨廷顿病的小鼠模型中发现，RRS1 与异粘蛋白（metadherin）共定位于ER，当给予小鼠刺激从而激发ER 应激反应后，RRS1 首先感知ERS，随后由异粘蛋白接收RRS1 传递的信号往后传递。因此，RRS1参与了ER应激反应过程，在亨廷顿病的发生中发挥了重要作用[32]。

3.2 在肿瘤发生中的潜在作用

核糖体生物合成异常会引起核糖体应激反应，进而影响P53-HDM2 反馈通路，从而与肿瘤的发生密切相关[17-18]。大量研究发现RPL5、RPL11、RPL23和RPS7 等核糖体相关蛋白的异常表达可促发核糖体应激反应，进而影响P53-HDM2反馈通路[19-22]。在人类肿瘤中，多种核糖体相关蛋白发生异常表达，如结直肠癌中核糖体蛋白L29（RPL29）的表达显著上调[23]。其他一些核糖体蛋白（如RPS8、RPL12、RPL23A、RPL27和RPL30）均显示在不同种类的肿瘤中显著高表达。已有研究报道，核糖体蛋白S3A（RPS3A）过表达可促进裸鼠体内肿瘤的形成[24]。

在正常的人类细胞中，RRS1 定位于细胞核；但Gambe 等在HeLa 细胞系中的发现RRS1的亚细胞定位发生了变化：既定位于细胞核，也分布在细胞核的外周。进一步通过RNAi 技术抑制RRS1 的表达后，HeLa 细胞的细胞周期显著延迟[8]。因此推测RRS1很可能是一个原癌基因，可能与宫颈癌等肿瘤的发生发展相关。我们最近对肝癌的研究表明，RRS1在肝癌组织中的表达显著上调，同时发现RRS1位于一个显著扩增的基因组区域。在肝癌细胞系中过表达RRS1 后，能显著促进细胞生长，促进裸鼠的成瘤作用（未发表数据），提示其与肝癌的发生相关。最近有研究发现，RRS1和TP53 之间存在显著的遗传相互作用，RRS1 可能调控P53 活性[25]，这就提示RRS1可能与RPL5、RPL11 等核糖体相关蛋白类似，也通过P53-MDM2反馈通路影响肿瘤的发生。

4 结语

综上所述，RRS1 在核糖体的生物合成、细胞周期中染色体在赤道板的聚集和端粒的聚集过程中扮演着重要的角色。已有报道RRS1 与亨廷顿病等疾病有关，但其具体作用机制仍不清楚。最近的研究提示RRS1可调控细胞周期的进程，与内质网应激和核糖体应激反应等有关，还有报道其与P53 通路密切相关。这些研究均提示，RRS1的异常有可能与肿瘤的发生发展相关，为后续研究开辟了新的方向。

[1]Warner J R.The economics of ribosome biosynthesis in yeast[J].Trends Biochem Sci,1999,24(11):437-440.

[2]Tsuno A,Miyoshi K,Tsujii R,et al.RRS1,a conserved essential gene,encodes a novel regulatory protein required for ribosome biogenesis in Saccharomyces cerevisiae[J].Mol Cell Biol,2000,20(6):2066-2074.

[3]Fatica A,Tollervey D.Making ribosomes[J].Curr Opin Cell Biol,2002,14(3):313-318.

[4]Fromont-Racine M,Senger B,Saveanu C,et al.Ribosome assembly in eukaryotes[J].Gene,2003,313:17-42.

[5]Granneman S,Baserga S J.Ribosome biogenesis:of knobs and RNA processing[J].Exp Cell Res,2004,296(1):43-50.

[6]Zhang J,Harnpicharnchai P,Jakovljevic J,et al.Assembly factors Rpf2 and Rrs1 recruit 5S rRNA and ribosomal proteins rpL5 and rpL11 into nascent ribosomes[J].Genes Dev,2007,21:2580-2592.

[7]Kuriyama R,Borisy G G.Microtubule-nucleating activity of centrosomes in chinese hamster ovary cells is independent of the centriole cycle but coupled to the mitotic cycle[J].J Cell Biol,1981,91(3 Pt 1):822-826.

[8]Gambe A E,Matsunaga S,Takata H,et al.A nucleolar protein RRS1 contributes to chromosome congression[J].FEBS Lett,2009,583:1951-1956.

[9]Losada A.The regulation of sister chromatid cohesion[J].Biochim Biophys Acta,2008,1786(1):41-48.

[10]Chan S R,Blackburn E H.Telomeres and telomerase[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2004,359(1441):09-21.

[11]Palm W,de Lange T.How shelterin protects mammalian telomeres[J].Annu Rev Genet,2008,42:301-334.

[12]Bupp J M,Martin A E,Stensrud E S,et al.Telomere anchoring at the nuclear periphery requires the budding yeast Sad1-UNC-84 domain protein Mps3[J].J Cell Biol,2007,179(5):45-54.

[13]Schober H,Ferreira H,Kalck V,et al.Yeast telomerase and the SUN domain protein Mps3 anchor telomeres and repress subtelomeric recombination[J].Genes Dev,2009,23(8):928-938.

[14]Hediger F,Neumann F R,van Houwe G,et al.Live imaging of telomeres:yKu and Sir proteins define redundant telomereanchoring pathways in yeast[J].Curr Biol,2002,12(24):2076-2089.

[15]Taddei A,Hediger F,Neumann F R,et al.Separation of silencing from perinuclear anchoring functions in yeast Ku80,Sir4 and Esc1 proteins[J].EMBO J,2004,23(6):1301-1312.

[16]Horigome C,Okada T,Shimazu K,et al.Ribosome biogenesis factors bind a nuclear envelope SUN domain protein to cluster yeast telomeres[J].EMBO J,2011,30(18):3799-3811.

[17]Macias E,Jin A,Deisenroth C,et al.An ARF-independent c-MYC-activated tumor suppression pathway mediated by ribosomal protein-Mdm2 interaction[J].Cancer Cell,2010,18(3):231-243.

[18]Montanaro L,Trere D,Derenzini M.Changes in ribosome biogenesis may induce cancer by down-regulating the cell tumor suppressor potential[J].Biochim Biophys Acta,2012,1825(1):101-110.

[19]Dai M S,Lu H.Inhibition of MDM2-mediated p53 ubiquitination and degradation by ribosomal protein L5[J].J Biol Chem,2004,279(43):44475-4482.

[20]Lohrum M A,Ludwig R L,Kubbutat M H,et al.Regulation of HDM2 activity by the ribosomal protein L11[J].Cancer Cell,2003,3(6):577-587.

[21]Jin A,Itahana K,O'Keefe K,et al.Inhibition of HDM2 and activation of p53 by ribosomal protein L23[J].Mol Cell Biol,2004,24(17):7669-7680.

[22]Chen D,Zhang Z,Li M,et al.Ribosomal protein S7 as a novel modulator of p53-MDM2 interaction:binding to MDM2,stabilization of p53 protein,and activation of p53 function[J].Oncogene,2007,26(35):5029-5037.

[23]Wang Y,Cheong D,Chan S,et al.Heparin/ heparan sulfate interacting protein gene expression is up-regulated in human colorectal carcinoma and correlated with differentiation status and metastasis[J].Cancer Res,1999,59(12):2989-2994.

[24]Naora H,Takai I,Adachi M.Altered cellular responses by varying expression of a ribosomal protein gene:sequential coordination of enhancement and suppression of ribosomal protein S3a gene expression induces apoptosis[J].J Cell Biol,1998,141(3):741-753.

[25]Krastev D B,Slabicki M,Paszkowski-Rogacz M,et al.A systematic RNAi synthetic interaction screen reveals a link between p53 and snoRNP assembly[J].Nat Cell Biol,2011,13(7):809-818.

[26]Mattson M P.Excitotoxic and excitoprotective mechanisms:abundant targets for the prevention and treatment of neurodegenerative disorders[J].Neuromol Med,2003,3(2):65-94.

[27]Reijonen S,Putkonen N.Inhibition of endoplasmic reticulum stress counteracts neuronal cell death and protein aggregation caused by N-terminal mutant huntingtin proteins[J].Exp Cell Res,2008,314(5):950-960.

[28]Duennwald M L,Lindquist S.Impaired ERAD and ER stress are early and specific events in polyglutamine toxicity[J].Genes Dev,2008,22(23):3308-3319.

[29]Harding H P,Ron D.Endoplasmic reticulum stress and the development of diabetes:a review[J].Diabetes,2002,51(supple3):S455-S461.

[30]Mouw G,Zechel J L,Gamboa J,et al.Activation of cas-pase12,an endoplasmic reticulum resident caspase,after permanent focal ischemia in rat[J].Neuroreport,2003,14(2):183-186.

[31]Fossale E,Wheeler V C,Vrbanac V,et al.Identification of a presymptomatic molecular phenotype in Hdh CAG knock-in mice[J].Hum Mol Genet,2002,11(19):2233-2241.

[32]Carnemolla A,Fossale E,Agostoni E,et al.Rrs1 is involved in endoplasmic reticulum stress response in Huntington disease[J].J Biol Chem,2009,284(27):18167-18173.