冷诱导RNA结合蛋白在生殖和胚胎发育中作用的研究进展

李忠秋

（黑龙江省农业科学院 畜牧研究所／农业部种养结合重点实验室，哈尔滨 150086）

冷诱导RNA结合蛋白（cold inducible RNA binding protein，CIRP）最初是在小鼠睾丸细胞中分离得到的，在多种组织细胞中呈组成型表达。CIRP属于RNA结合蛋白异源核糖核蛋白亚群，是一种应激应答基因，在低温、高渗、紫外线、低氧、辐射、毒素和药物等多种应激条件下表达［1］。CIRP也是一种多功能的生理活性物质，参与生物节律调节、两栖动物冬眠、生殖系统发育、神经发育调节、胚胎发育、免疫应答反应和肿瘤的发生等多种生理过程［2］。CIRP是早期发育的关键因子，研究其在动物睾丸、精子、卵巢和卵母细胞等生殖器官和配子中的表达和作用具有重要的生理意义，也有助于雄性不育和雌性不孕的分子机制研究。

1 CIRP的发现与结构

CIRP最初是在研究紫外线照射对植物细胞DNA损伤的过程中被发现的，其表达量与紫外线的照射增强呈正相关［3］。1997年，第一个哺乳动物CIRP是在小鼠睾丸细胞中分离得到，并证明了CIRP参与细胞生长的温度依赖性调节［4］。研究人员先后从爪蟾、美西蝠、牛蛙、树蛙、海鞘类、大西洋鲑、马哈鱼、大黄鱼、小鼠、大鼠、人类、仓鼠、鸡、牦牛、猪等多种生物细胞发现有CIRP表达［5-6］。对核苷酸序列和氨基酸序列进行对比分析发现，它们的同源性较高，具有高度的保守性［5-8］。CIRP属于冷休克蛋白（cold shock proteins，CSP）家族，在分子结构上CSP具有共同的结构特性，共有序列RNA结合域（consensus sequence RNA-binding domain，CS-RBD）和富含甘氨酸的结构域（Arginine-Glycine-Glycine peptides，RGG）。CIRP含有一个氨基末端的CS-RBD和梭基末端的RGG。CSRBD大约由85个氨基酸残基组成，一个氨基酸八聚体即核糖核蛋白1（Ribonucleoprotein1，RNP1）和一个氨基酸六聚体即核糖核蛋白2（Ribonucleoprotein2，RNP2）两个高度保守的核糖核蛋白序列，在这些序列之中掺杂着一些其他的保守疏水性氨基酸［9-10］。CS-RBD具有与RNA结合的功能，与mRNA的稳定、定位、剪接、转运等有关［11-12］。RGG基序由几个Arg-Gly-Gly重复子序列组成，参与蛋白质与RNA或蛋白质与蛋白质之间的相互作用，进而增强RNA的结合能力并影响蛋白质的胞内定位［13-14］。

2 CIRP的细胞定位与迁移

CIRP在小鼠和人的多种组织中组成性表达，通常定位于多种细胞的细胞核中，在细胞核中调节相关基因的转录或与mRNA结合进行转录后的调节［15-16］。但在多种生理或应激条件下CIRP会迁移进入细胞质中［17］。研究发现，非洲爪蟾卵母细胞中的CIRP主要存在于细胞质中，人精子细胞的细胞质中也检测到CIRP［18-19］。CIRP的细胞定位不是固定的，而是取决于细胞类型和细胞状态［20］。非洲爪蟾卵母细胞质中CIRP的出现受到精氨酸甲基化作用的影响，当精氨酸末端的甲基化转移酶Ⅰ表达过量时诱使细胞核中的CIRP进入细胞质中蓄积［13，21］。紫外线照射人结肠癌RKO细胞时，诱导的遗传毒性应激使CIRP可以从细胞核迁移到细胞质，通过结合特异靶基因RPA2和TRX，增强mRNA的稳定性和特异靶基因的翻译发挥对细胞的保护作用［19］。血管内皮细胞在氧化应激条件下CIRP表达量不会发生改变，但细胞核中的CIRP会发生核质穿越，向细胞质中的应激颗粒（应激颗粒是在环境应激条件下细胞内动态聚集的失活翻译起始复合体）聚集［13］。马哈鱼处于高渗应激时，诱导产生CIRP同系物SGRP，其结构中含有特殊核定位信号区，可以进行核质穿越，使其迁移进入细胞质中［22］；温和冷应激时诱导细胞内CIRP表达增加，但不引起核质穿越。

3 CIRP与生殖发育

CIRP持续表达于小鼠、人类和牦牛的睾丸组织中［23-25］，与睾丸的生理功能和精子的生成发育密切相关。CIRP组成型表达于雄性小鼠发育不同阶段的精子细胞中，即CIRP基因的表达是整个生命延续过程中必不可少的部分［23］。在各年龄段牦牛睾丸中CIRP在mRNA及蛋白水平均有表达，且表达水平随着年龄的增长不断增加。CIRP表达于不同发育阶段的精原细胞和初级精母细胞，在成年牦牛睾丸中的精原细胞和初级精母细胞中CIRP表达强烈，推测随着睾丸和精子细胞从发育到成熟，CIRP表达强度逐渐增加，主要功能是用以维持精子发生、抗击睾丸的应激损害和生精细胞的凋亡［25］。CIRP具有调节细胞周期的功能，高表达会延长DNA合成前期（Gl期），通过调节mRNAs的生物合成来促进细胞发挥功能。当CIRP在生精细胞上表达上调时，会导致生精细胞G1期延长，并通过调节mRNAs的生物合成，促进生精细胞的正常生精功能和未分化精原细胞的增殖；而当CIRP表达下调时会引起有丝分裂和／或减数分裂的紊乱，导致生精细胞的过度凋亡，损害精子的发生［26-28］。CIRP在正常小鼠的睾丸中强表达，但在隐睾小鼠的睾丸中CIRP表达量显著降低，推测对隐睾小鼠生精细胞损伤后CIRP表达水平降低起重要作用［29］。在雄性隐睾小鼠睾丸中导入重组的CIRP过表达载体，结果表明，过量表达CIRP能够降低隐睾症造成的雄性小鼠睾丸损伤程度［30］。CIRP参与核糖体的功能调节，在非洲爪蟾卵母细胞的细胞质中高浓度存在，对卵母细胞的生长发育具有重要作用［18］。CIRP参与调节子宫内膜细胞周期活动，其表达降低可能导致子宫内膜细胞周期紊乱而发生子宫内膜癌［31］。由于在生殖发育过程中具有重要作用，对CIRP在生殖系统和生殖过程中作用机制进行研究有助于雌性不孕和雄性不育的分子机制研究。

4 CIRP与胚胎发育

胚胎发育起始于配子受精后的受精卵，受精卵不断分裂、分化、成长，产生各种细胞，组建各种组织和器官，最终脱离卵膜形成新的个体，完成发育。在胚胎发育的早期阶段，胚胎对外界环境刺激的抵抗能力和适应能力均较弱。CIRP作为RNA结合蛋白具有特异性的RNAs结合特征，能够与RNAs结合，调节其转录后的水平［27，32］，并且能够增强细胞内RNA的折叠和翻译，降低反转录过程中的乱配、错配和受损等现象的发生，有效促进cDNA的合成效率，增强相应蛋白的生物合成，发挥对细胞的保护作用。非洲爪蟾的CIRP同系物（XCIRP）在原肠胚和真皮细胞中表达丰富，XCIRP对原肠胚时期的细胞发育具有调节作用［7］。进一步的研究表明，在非洲爪蟾处于原肠胚时期原肾和神经组织的细胞质中XCIRP表达量迅速增加，对非洲爪蟾的前肾形成和神经发育具有一定的作用，且母源XCIRP在其胚胎肾形成过程中具有重要作用［33］。墨西哥美西螈AxRB基因主要在胚胎神经系统表达，在胚胎神经发生前和神经发生中起重要作用［8］。果蝇elav基因和Musashi基因分别包含3个CS-RBD和2个CS-RBD结构域，属于RNA结合蛋白基因，是CIRP的同系物，研究表明elav基因影响成熟神经元功能的维持与小神经元的发育［34］。Musashi基因通过在转录后水平控制目标基因的表达来调控外感器的发育，是果蝇外部性器官发育所必需的［35］。CIRP的表达对胚胎发育具有重要作用，尤其是对发育初期的胚胎。CIRP在胚胎发育过程中的表达和功能还需要进一步研究，其研究成果可为CIRP在人类胚胎发育中的运用奠定理论基础。

5 结论

CIRP在哺乳动物多种类型的细胞中均有表达，作为一种应激蛋白，除参与细胞的多种应激反应过程外，在细胞正常生理活动中也具有重要作用。CIRP是早期发育的关键因子，对睾丸的生理功能、精子的生成发育、胚胎细胞发育的调节和胚胎神经系统的发育都具有重要的作用。在生殖系统和胚胎发育中进一步深入探讨和研究CIRP的生物学功能和作用，有助于雄性不育和雌性不孕研究。