核仁蛋白与疾病研究进展

殷田田 卢玲 刘云章

[摘要] 核仁蛋白在核糖体发生中至关重要，同时核仁蛋白调控细胞的增殖、凋亡和细胞周期。核仁功能的异常与人类疾病密切相关，包括遗传性疾病、癌症、神经退行性疾病等。本文综述了核仁蛋白在几种疾病中的作用和核仁蛋白作为治疗靶点的潜力。

[关键词] 细胞核仁;核仁蛋白质类;疾病;综述

[中图分类号] R341.31

[文献标志码] A

[文章编号] 2096-5532（2021）04-0626-03

核仁是核糖体发生的主要场所，核仁蛋白对细胞的生命活动进行调控[1]。核仁功能改变表现为核糖体发生异常或核仁应激，可以诱发疾病，也可以作为癌症的治疗靶点[2-4]。核仁异常活跃为癌细胞发生的标志，靶向核仁蛋白的药物成为抗癌药物筛选的重要方向。本文对近年来核仁蛋白与遗传性疾病、癌症和其他非遗传性疾病的研究进行综述。

1 核仁蛋白功能

核仁是核糖体生物发生的主要场所，同时调控细胞内的生命活动。位于核仁的rDNA转录产生rRNA，rDNA损伤是造成核仁功能异常的重要原因。核糖体RNA和约80种核糖体蛋白的合成以及核糖体组装需要200多个装配因子的参与[5]。核糖体前体加工和组装的大部分过程都在核仁中完成，因此，核仁结构和功能的完整性是核糖体生物正常发生的保证[6-7]。研究最为广泛的核仁蛋白信号通路为核仁应激。在存在抑癌蛋白P53的正常细胞中，p53的mRNA转录正常，但是细胞通过降解蛋白质使P53蛋白保持较低水平。核仁应激信号通路中，核糖体蛋白L5、核糖体蛋白L11等功能破坏，不再参与核糖体构建，而与P53的主要E3泛素连接酶鼠双微粒体2（MDM2）结合，抑制MDM2与P53的结合和泛素化降解，促进P53稳定，上调蛋白水平，从而诱导细胞凋亡、周期停滞等[7]。P53非依赖性的核仁应激更复杂，核仁应激后通过抑制MDM2促使E2F蛋白家族转录因子1（E2F-1）下调，调控细胞周期;核糖体蛋白L5、L11与癌基因蛋白c-Myc结合，降低其转录活性和c-Myc mRNA水平，促进其降解，导致P53缺失的肿瘤细胞增殖减少[8]。抑癌蛋白可变阅读框蛋白（ARF）是一个核仁蛋白，能够与MDM2蛋白的羧基端相互作用，抑制MDM2介导的P53泛素化降解和P53转录下调，在侵袭性淋巴瘤中ARF失活，促使野生型P53下调，无法发挥抑癌作用。核仁蛋白在核糖体发生和P53介导肿瘤发生中发挥着重要作用。诱导核仁应激可用于癌症治疗。

2 遗传性疾病与核仁蛋白

近年的研究表明，多种遗传性疾病病人的基因组中都发现了大量的核糖体蛋白或者核糖体生物发生因子基因突变的情况，其中，至少有一半的先天性再生障碍性贫血病人的核糖体蛋白基因发生突变[9]。除此之外，已明确的核糖体病变还包括Treacher Collins综合征（TCS）、北美印第安儿童肝硬化、5q染色体综合征、散发性先天性无脾征[10]等。在这些疾病中，核糖体发生病变会造成核仁功能受损，影响早期发育，诱发畸形[11]。核糖体病变诱发的表型表现在某些特定的组织或器官中。以TCS综合征为例，该病是由RNA聚合酶Ⅰ（Pol Ⅰ）转录臂或其转录辅助因子TCOF1的杂合突变引起的，突变后的细胞无法正常完成颅面神经嵴细胞增殖、迁移、分化，造成病人畸形表型[12]。这种表型主要集中在病人颅面，表现为颅面畸形、下颌骨发育不全、外耳畸形、双眼外眦下移等，但是病人不会出现颅骨畸形。在先天性再生障碍性贫血中，多种核糖体蛋白中任何一种蛋白的突变都会影响骨髓的造血功能，这些突变只特异性存在于某些组织器官中，与P53在不同组织中表达水平存在差异有关[13]。DEAD（Asp-Glu-Ala-Asp）-box RNA解旋酶DDX21具有ATP依赖性催化RNA解旋的活性，参与调控核糖体生物发生、转录、前体mRNA剪接和RNA衰变等过程[14]。CALO等[12]研究显示，TCS综合征病人基因突变引起DDX21从核仁重新定位到核质，导致rRNA加工受阻和核糖体蛋白基因转录水平下调，从而导致颅面疾病。颅面神经嵴细胞中P53转录活跃，细胞对P53介导的细胞凋亡敏感，突变细胞凋亡水平更高，阻断DDX21的变化可恢复细胞凋亡的易感性和消除TCS综合征相关的颅面表型[12]。SONG等[14]研究发现，DDX21与去乙酰化转移酶SIRT7共作用可保证包括P53基因在内的基因组稳定性;JANIC等[15]研究显示，不同细胞中DNA修复方式和P53激活信号通路不同，造成了P53在不同组织中的调控结果存在差异。除了受P53表达调控影响，核仁功能异常的补偿存在组织特异性[12]，而P53的上调是核仁功能异常全局作用的结果。一般的抗凋亡药物并不能特异性恢复不同组织核糖体发生，因此，核糖体病变的治疗方案或许更应该聚焦于诱导特异性补偿，如上调核糖体发生增加蛋白HBS1L表达[16]。

3 非遗传性疾病与核仁蛋白

3.1 癌症与核仁蛋白的关系

核糖体生物发生率的上调可能促进组织的肿瘤转化。在慢性肝病中，伴有核仁肥大的肝细胞数量越多，癌症发生率越高[17]。在肿瘤中存在两种核仁应激途径——P53依赖性和非依赖性途径，所以即使肿瘤细胞中P53缺失，仍然可通过靶向核仁激活肿瘤细胞周期检查点甚至诱导细胞凋亡[18]。各种细胞损伤必须伴随核仁功能的改变才会造成P53的稳定和激活[19]，所以以核仁蛋白为靶标的药物比一般的细胞毒性药物对肿瘤细胞的作用效果更好[20]。在核仁蛋白中寻找药物靶点成为极具潜力的研究方向。核仁素是典型的核仁蛋白，正常細胞中主要分布于核仁，少量分布在细胞质和细胞膜上。增殖活跃的细胞中核仁素表达水平较高，尤其肿瘤细胞中，细胞膜表面的核仁素可以和肿瘤生长因子结合，转运生长因子进入细胞内，促进肿瘤的发生和发展[21]。因此，细胞膜上核仁素高表达为重要的癌变信号。

3.2 以核仁蛋白为靶标抗癌药物的研发

目前已上市用于治疗癌症的烷化剂、抗嵌入剂、抗代谢物、拓扑异构酶和激酶抑制剂等，都可以通过抑制核仁的核糖体发生功能增强它们对癌细胞的毒性作用[22-24]，如顺铂通过抑制Pol Ⅰ，破坏核仁结构;多柔比星（DOX）、喜树碱可以通过抑制拓扑异构酶影响rRNA加工;氟尿嘧啶、高三尖杉酯碱损害rRNA，但不破坏核仁结构。烷化剂奥沙利铂甚至不通过DNA损伤而通过抑制核糖体生物合成诱导癌细胞死亡[23]。两种特异性抑制rDNA转录的小分子药物CX-3543、CX-5461都表现出良好的抗癌药潜能，其对DNA、mRNA和蛋白质合成的选择性超过普通药物200倍[25]。

核仁蛋白能够与核酸分子特异性结合的特点更有利于开发具有靶向性的抗癌药物，如核酸适配体AS1411。核酸适配体是一类通过筛选得到的寡核苷酸序列，能够特异性和靶物质结合，也可以根据需求进行不同的修饰，作为药物的载体靶向给药。AS1411经过修饰能够嵌入药物DOX，将其靶向运输到癌细胞，然后与癌细胞膜高表达的核仁素蛋白特异性结合，被细胞内吞后进入细胞发挥作用[26]。AS1411在二期临床试验中显示出对肾癌和非小细胞肺癌具有明显治疗作用[27]，联合阿糖胞苷治疗急性髓性白血病的二期临床试验也已经完成。此外，DENG等[28]合成了一种能有效富集在肿瘤细胞核仁的光笼型四价铂前药coumaplatin，其光照活化后的药物活性比母体药物奥沙利铂高出96倍，可有效克服肿瘤细胞的耐药性。

3.3 其他非遗传性疾病与核仁蛋白关系

除上述疾病外，许多疾病也与核仁蛋白相关，如抑郁症[29]、缺血性心脏病[30]、阿尔茨海默病[31]等。其中，包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病等在内的神经退行性疾病，与神经元的核仁应激诱导相关[32]。但是，以核仁为靶点治疗此类疾病的藥物仍未有报道，可能与这些疾病发病机制尚不十分清楚有关。

综上所述，无论是核仁的核糖体生物发生功能，还是核仁应激对增殖、凋亡和细胞周期的调控，都与人类疾病密切相关。过去几十年研究结果已经显示了影响核糖体生物发生的遗传突变与癌症风险升高之间存在因果关联。因此，核仁蛋白被看作重要的药物作用靶点。随着研究的深入，核仁蛋白与人类疾病之间的关系将更加清晰，这将为靶向性治疗相关疾病提供理论支持。

[参考文献]

[1]NOLLER H F， LANCASTER L， MOHAN S， et al. Ribosome structural dynamics in translocation： yet another functional role for ribosomal RNA[J]. Quarterly Reviews of Biophysics， 2017，50： e12. doi：10.1017/S0033583517000117.

[2]ZHOU X， HAO Q， ZHANG Q， et al. Ribosomal proteins L11 and L5 activate TAp73 by overcoming MDM2 inhibition[J]. Cell Death and Differentiation， 2015，22（5）：755-766.

[3]DOSIL M A， NAVARIDAS R， MIRANTES C， et al. Tumor suppressive function of E2F-1 on PTEN-induced serrated colorectal carcinogenesis[J]. The Journal of Pathology， 2019，247（1）：72-85.

[4]ZENG J Y， LIBIEN J， SHAIK F， et al. Nucleolar PARP-1 expression is decreased in Alzheimers disease： consequences for epigenetic regulation of rDNA and cognition[J]. Neural Plasticity， 2016， 2016：8987928.

[5]KRESSLER D， HURT E， BASSLER J. Driving ribosome assembly[J]. Biochimica et Biophysica Acta， 2010，1803（6）：673-683.

[6]DE LA CRUZ J， GMEZ-HERREROS F， RODRGUEZ-GALN O， et al. Feedback regulation of ribosome assembly[J]. Current Genetics， 2018，64（2）：393-404.

[7]DALLA VENEZIA N， VINCENT A， MARCEL V， et al. Emerging role of eukaryote ribosomes in translational control[J]. International Journal of Molecular Sciences， 2019，20（5）： E1226.

[8]JUNG J H， KIM M J， LEE H， et al. Farnesiferol c induces apoptosis via regulation of L11 and c-Myc with combinational potential with anticancer drugs in non-small-cell lung cancers[J]. Scientific Reports， 2016，6：26844.

[9]TANIGUCHI T， CHIKATSU N， TAKAHASHI S， et al. Expression of p16INK4A and p14ARF in hematological malignancies[J]. Leukemia， 1999，13（11）：1760-1769.

[10]LEE J H， LIST A， SALLMAN D A. Molecular pathogenesis of myelodysplastic syndromes with deletion 5q[J]. European Journal of Haematology， 2019，102（3）：203-209.

[11]MILLS E W， GREEN R. Ribosomopathies： theres strength in numbers[J]. Science （New York， N Y）， 2017，358（6363）： eaan2755.

[12]CALO E， GU B， BOWEN M E， et al. Tissue-selective effects of nucleolar stress and rDNA damage in developmental disorders[J]. Nature， 2018，554（7690）：112-117.

[13]WARREN A J. Molecular basis of the human ribosomopathy Shwachman-Diamond syndrome[J]. Advances in Biological Regulation， 2018，67：109-127.

[14]SONG C L， HOTZ-WAGENBLATT A， VOIT R， et al. SIRT7 and the DEAD-box helicase DDX21 cooperate to resolve genomic R loops and safeguard genome stability[J]. Genes & Development， 2017，31（13）：1370-1381.

[15]JANIC A， VALENTE L J， WAKEFIELD M J， et al. DNA repair processes are critical mediators of p53-dependent tumor suppression[J]. Nature Medicine， 2018，24（7）：947-953.

[16]OCONNELL A E， GERASHCHENKO M V， ODONOHUE M F， et al. Mammalian Hbs1L deficiency causes conge-nital anomalies and developmental delay associated with Pelota depletion and 80S monosome accumulation[J]. PLoS Genetics， 2019，15（2）： e1007917.

[17]KODIHA M， SALIMI A， WANG Y M， et al. Pharmacological AMP kinase activators target the nucleolar organization and control cell proliferation[J]. PLoS One， 2014，9（1）： e88087.

[18]PESTOV D G， STREZOSKA Z， LAU L F. Evidence of p53-dependent cross-talk between ribosome biogenesis and the cell cycle： effects of nucleolar protein Bop1 on G1/S transition[J]. Molecular and Cellular Biology， 2001，21（13）：4246-4255.

[19]OU H L， SCHUMACHER B. DNA damage responses and p53 in the aging process[J]. Blood， 2018，131（5）：488-495.

[20]LAWRENCE M G， OBINATA D， SANDHU S， et al. Patient-derived models of abiraterone- and enzalutamide-resistant prostate cancer reveal sensitivity to ribosome-directed therapy[J]. European Urology， 2018，74（5）：562-572.

[21]FUJIKI H， WATANABE T， SUGANUMA M. Cell-surface nucleolin acts as a central mediator for carcinogenic， anti-carcinogenic， and disease-related ligands[J]. J Cancer Res Clin Oncol， 2014，140（5）：689-699.

[22]LESSARD F， BRAKIER-GINGRAS L， FERBEYRE G. Ribosomal proteins control tumor suppressor pathways in response to nucleolar stress[J]. BioEssays： News and Reviews in Molecular， Cellular and Developmental Biology， 2019，41（3）： e1800183. doi：10.1002/bies.201800183.

[23]BRUNO P M， LIU Y P， PARK G Y， et al. A subset of platinum-containing chemotherapeutic agents kills cells by inducing ribosome biogenesis stress[J]. Nature Medicine， 2017，23（4）：461-471.

[24]KAWAMURA K， QI F， MENG Q M， et al. Nucleolar protein nucleolin functions in replication stress-induced DNA da-mage responses[J]. Journal of Radiation Research， 2019，60（3）：281-288.

[25]TAYLOR J S， ZEKI J， ORNELL K， et al. Down-regulation of MYCN protein by CX-5461 leads to neuroblastoma tumor growth suppression[J]. Journal of Pediatric Surgery， 2019，54（6）：1192-1197.

[26]堵玉林，梁静. 核酸适配体在肿瘤靶向治疗方面的研究进展[J]. 化学通报， 2017，80（9）：809-818，862.

[27]ROSENBERG J E， BAMBURY R M， VAN ALLEN E M， et al. A phase Ⅱ trial of AS1411 （a novel nucleolin-targeted DNA aptamer） in metastatic renal cell carcinoma[J]. Invest New Drugs， 2014，32：178-187.

[28]DENG Z， WANG N， LIU Y， et al. A Photocaged， Water-oxidizing， and nucleolus-targeted Pt（Ⅳ） complex with a distinct anticancer mechanism[J]. J Am Chem Soc， 2020，142（17）：7803-7812.

[29]GOS T， STEINER J， KRELL D， et al. Ribosomal DNA transcription in the anterior cingulate cortex is decreased in unipolar but not bipolar I depression[J]. Psychiatry Research， 2013，210（1）：338-345.

[30]MAMAEV N N， GUDKOVA A Y， AMINEVA K K. AgNORs in the myocardium in ischaemic heart disease complica-ted by heart failure： a postmortem study[J]. Molecular Patho-logy： MP， 1998，51（2）：102-104.

[31]DNMEZ-ALTUNTA H， AKALIN H， KARAMAN Y， et al. Evaluation of the nucleolar organizer regions in Alzhei-mers disease[J]. Gerontology， 2005，51（5）：297-301.

[32]PARLATO R， KREINER G. Nucleolar activity in neurodegenerative diseases： a missing piece of the puzzle[J]？ Journal of Molecular Medicine （Berlin， Germany）， 2013，91（5）：541-547.

[33]HETMAN M， PIETRZAK M. Emerging roles of the neuronal nucleolus[J]. Trends in Neurosciences， 2012，35（5）：305-314.

（本文編辑 黄建乡）