核糖体蛋白及其在疾病中的作用

钟芳芳，江海燕，张俊平 （福建中医药大学药学院, 福建 福州 350100）

1 核糖体蛋白和核糖体生物合成

1.1 核糖体蛋白

核糖体蛋白（RP）是指构成核糖体的蛋白质，其与rRNA 或核糖体亚基紧密连接，需高浓度盐和强解离剂（如3 mol/L LiCl 或4 mol/L 尿素）才能将其分离。目前，已发现的RP 有80 多种，根据大小亚基的不同，RP 可分为核糖体大亚基蛋白（RPL）和核糖体小亚基蛋白（RPS）[1]。RP 主要有两种作用，一是参与核糖体的组装和蛋白质的生物合成，二是具有独立于核糖体的功能，称为核糖体外功能[2]。

1.2 核糖体蛋白表达与调控

RP 是核糖体的重要组成部分，在核糖体生物合成和蛋白质翻译中起关键作用。根据蛋白质的结构特点，RP 可分为α-蛋白质、β-蛋白质、α/β-蛋白质和α+β-蛋白质[3]。RP 与rRNAs 的几个结构域相互作用，形成域间连接，有助于维持核糖体组装的结构完整性[3]。

所有RP mRNA 都具有5’末端寡嘧啶（TOP）片段，因此，调控TOP mRNA 的翻译，可影响RP的表达[4]。研究发现，La 蛋白能与TOP mRNA 物理结合；microRNA、miR-10a 等表观遗传因子能与5’非翻译区结合来促进翻译[4]。除此之外，许多RP 还会经历包括磷酸化、泛素化、甲基化、乙酰化和SUMO 化等翻译后修饰[5]，这些翻译后修饰可能受环境因素的影响，也可能是基础性的，它们会赋予RP 核糖体外功能。

2 核糖体蛋白的核糖体外功能

RP 除了参与核糖体的组装之外，还具有许多核糖体外功能，如调控基因表达、细胞增殖、分化、凋亡、DNA 修复和其他多种细胞过程。

2.1 基因表达调控

据报道，RP 能调控特定基因的表达，如与病毒蛋白反应，阻碍病毒的转录或翻译过程[6]。除此之外，RP 也能通过反馈机制，调节其自身基因的表达。有研究证明，RPL10a 可直接与保守的特定元件结合，在负反馈过程中调节其自身pre mRNA 的选择性剪接[7]。除此之外，RPS3、RPL11、RPL7 等也具有调控基因表达的作用。

2.2 细胞周期控制

RP 可影响细胞周期进程。细胞周期分为间期和有丝分裂期两个阶段，其中间期又分为DNA 合成前期（G1 期）、DNA 合成期（S 期）与DNA 合成后期（G2 期）。据报道，RPS3、RPL7、RPL15、RPS9 等与细胞周期紊乱密不可分。RPS3 在细胞周期的G2/M 期能够与α-微管蛋白相互作用，其异常会破坏α-微管蛋白动力学，如RPS3 低表达会出现有丝分裂中纺锤体形成异常、子细胞无法完全分离和脱落的现象[8]，从而影响细胞周期进程。

2.3 细胞凋亡的调节

细胞凋亡是细胞抵抗内在和外在压力造成不可修复损伤的主要防御机制之一。RPS29、RPL35a、RPS3 等能够调控细胞凋亡。未磷酸化的RPS6 可通过肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL），诱导细胞凋亡[9]。在调节细胞凋亡时，有些RP 具有促凋亡的作用，而有一些RP 是细胞凋亡的负调节剂。在高危骨髓增生异常综合征患者中，RPL23 的表达与CD34+骨髓细胞凋亡呈负相关，其低表达能诱导细胞凋亡，引起G1/S 细胞周期阻滞，抑制SKM-1/K562 细胞活力[10]。

2.4 DNA 修复的调节

DNA 的任何损伤都会破坏基因组的完整性，这对细胞来说是致命的，因此，DNA 损伤修复过程至关重要。据报道，RP 如RPS3、RPL3、RPL6、RPS27等可作为DNA 损伤调节因子，参与DNA 损伤修复过程。RPS3 位于氧化性DNA 损伤位点，能够与BER、APEX1 和8-氧鸟嘌呤DNA 糖基化酶（8-oxoguanine DNA glycosylase-1，OGG1）相互作用，增加OGG1 糖基化酶的活性，有助于DNA 的损伤修复[11]。

2.5 细胞增殖的调节

细胞增殖是生物体的重要生命特征，RP 对细胞增殖的调节作用与癌症发生和进展联系密切。体外研究发现，RPL34 是肿瘤细胞增殖所必需的，其能够促进胶质母细胞瘤细胞的存活，加重肿瘤恶性程度[12]。此外，RPL22 的低表达能够激活MDM2-p53 信号传导，促进MKN-45 细胞的增殖[13]。许多研究证明，RPL23、RPS5、RPS15a 等也可影响细胞增殖过程。

2.6 细胞迁移和侵袭的调节

RP 在调节细胞迁移和侵袭中发挥着不可或缺的作用。研究表明，RPLP1 在肝细胞癌组织中高表达，其下调能显著抑制人肝癌细胞Hep3b 细胞的迁移和侵袭[14]。此外，下调RPL34 可明显降低胶质瘤细胞中p-JAK 和p-STAT3 的水平，其低表达可能是通过诱导JAK/STAT3 信号通路的失活，抑制胶质瘤细胞的增殖和迁移[15]。据报道，RPS27、RPL23、RPS6 等RP 也可介导细胞的迁移与侵袭。

2.7 细胞转化的调控

据报道，RP 的失调与细胞恶性转化有关。在人类急性T 淋巴细胞白血病中，RPL22 单等位基因的缺失诱导T 系祖细胞转化，最终加速胸腺淋巴瘤的发展。除此之外，RPLP1、RPL36a、RPL34 也可诱导细胞转化，使疾病进一步恶化[16]。

2.8 血管生成的调节

血管生成，是从预先存在的脉管系统中形成新血管，与疾病的进展密切相关。许多RP 如RPS19、RPL29、RPS6、RPS15a 等能够通过调控血管生成来影响疾病的发展。研究表明，RPS15a 可通过增强Wnt/β-catenin 诱导的FGF18 表达，促进肝细胞肝癌中的血管生成。[17]体外研究发现，诱导Huh7细胞过表达RPS15a，其能够以旁分泌方式，增加HUVEC 的血管生成潜力。体内实验证明，抑制肝细胞肝癌异种移植瘤中RPS15a 的表达，能够抑制肿瘤血管生成，进而阻碍肿瘤生长。

3 核糖体蛋白与人类疾病的发病机制

由于RP 在蛋白质合成中起着至关重要的作用，而蛋白质是组织的基本构成要素，因此，编码RP 的基因异常会影响器官形成、红细胞生成和其他多种生理功能，引起不同器官或系统疾病。

3.1 发育障碍

RP 是形成组织或器官所必需的，因此，其能够影响特定组织的发育过程。据报道，RPL23 和RPL6 是胰腺正常发育所必需的，其突变会导致严重的发育缺陷，引起胚胎致死[18]。此外，果蝇基因组编码的RPS5 旁系同源物RPS5b 的缺失会导致雌性不育，从而引起卵室发育停滞、卵黄生成中断和后卵泡细胞增生[19]。在斑马鱼实验中，研究发现大量敲除RP 如RPS19、RPS24、RPL22、RPL11 同样会导致发育异常[20-23]。

3.2 心血管和代谢疾病

一些RP 与心血管和代谢疾病的发生和发展有关。蛋白质相互作用网络发现，RPL9 和RPL26 可能是急性心肌梗死（AMI）的关键蛋白。RT-PCR 检测发现，相较于对照组，AMI 组外周血中RPL9 和RPL26 的表达水平均降低，这与生物信息学分析一致[24]。S4Y1 在人脐静脉内皮细胞中的过表达能够诱导细胞凋亡，产生炎症反应并抑制细胞迁移和血管形成，导致高糖诱导的功能障碍[25]，因此，S4Y1 可能是治疗糖尿病并发症的潜在治疗靶点。除此之外，与心血管和代谢疾病密切相关的RP 还有多种，如RPL17、RPL23、RPS6、RPS19、RPS24、RPL23a 等。

3.3 核糖体病

由RP 或与Pol I 转录和rRNA 加工相关的基因突变，导致核糖体生物合成或功能缺陷，引发的疾病，称为核糖体病。核糖体病是一组罕见的遗传性疾病，包括先天性纯红细胞再生障碍性贫血（Diamond-Blackfan Anemia，DBA）、散发型先天性无脾（isolated congenital asple- nia，ICA）和骨髓增生异常综合征的亚型5q 综合征等。

编码RP 的基因的突变，影响核糖体的组装和rRNA 的加工，从而引发核糖体病。在ICA 和5q综合征中，RP 基因突变会使得pre 40S 核糖体亚基组装和18S rRNA 加工受到影响，如RPS14 的单倍体不足是导致5q 综合征的关键因素，其下调使30S pre-rRNA 种类增多，降低18S/18SE rRNA 水平，增加30S/18SE 比率，影响18S pre-rRNA 加工[26]，RPSA 的外显子突变能够影响蛋白质翻译，进而导致ICA 等[27]；RPS19 编码基因的突变是DBA 中最先发现的，也是最常见的突变，而RPL5、RPS26 和RPL11 等编码基因的突变，同样与DBA 密切相关[2]，在DAB 中，RP 基因突变会影响pre 40S 和pre 60S核糖体亚基组装，以及破坏pre rRNA 加工。

3.4 癌症

鼠双微蛋白2（mouse double minute 2，MDM2）/p53 信号通路在细胞生长、增殖以及凋亡过程中发挥关键作用，RP 可通过作用于该信号通路影响癌症的发生与发展。MDM2 是导致p53 降解的泛素连接酶，可与包括RPL15、RPS27a、RPS7、RPL11等特异性结合。P53 在细胞生长和分裂过程中维持基因组稳定至关重要，在大多数人类癌症中，存在p53 突变或活性丧失。研究发现，RPL15 的低表达能够抑制MDM2 的泛素化，使p53 激活，从而导致p53 依赖性细胞的增殖、集落形成、迁移和侵袭[28]，最终抑制癌细胞的生长。因此，RP 可通过调控MDM2/p53 通路，进而影响癌细胞的生长。此外，RPS27a 的低表达能够削弱RPS27a 和RPL11之间的相互作用，并以RPL11 依赖性方式稳定p53，抑制细胞活力，从而导致细胞周期停滞和细胞凋亡[29]。除了激活p53 通路外，一些RP 还可以通过调节癌基因c-Myc 或与其他信号通路如mTOR、NF-κB、wnt/β-catenin 和let-7a 等相互作用影响癌症的发生和发展[30]。

除上所述，新生血管可以有效地促进营养和氧气的供应，并处理肿瘤代谢废物，对癌细胞的生存同样至关重要。RPL17 是一种血管平滑肌细胞（VSMC）生长抑制剂，能够抑制VSMC 细胞周期进程和生长，可能在抑制血管生成中发挥作用[31]，具有潜在的抗肿瘤作用，但其机制仍有待阐明。

4 核糖体蛋白在人类疾病诊断和治疗中的潜在价值

RP 参与细胞生长、增殖和代谢，可作为人类疾病诊断和预后潜在的生物标志物和治疗靶点。

4.1 癌症生物标志物

目前，许多癌症中均存在RP 差异表达的现象[32]。据报道，RPL23a、RPS2、RPL39 等多种RP 在肝细胞肝癌中表达上调。此外，目前已发现RPS8、RPS9、RPS27a 和RPL23 这四种RP 基因在鼻咽癌细胞系中表达下调。不仅如此，RP 在肺癌中也起着关键作用，如RPL9 在不同类型的肺癌组织中过表达，尤其在小细胞肺癌中表达最高。除此之外，在其他癌症中包括结直肠癌、前列腺癌、乳腺癌等也发现RP 的异常表达。因此，RP 可作为癌症的生物标志物。

4.2 药物发现和开发的分子靶标

4.2.1 核糖体病的基因治疗和药物治疗

许多DBA 患者表现出RPS19 缺陷，研究发现，EFS-RPS19 可用于RPS19 缺陷型DBA 患者的临床基因治疗[33]。此外，临床上治疗DBA 的药物，如达那唑，能够抑制垂体促性腺激素，对DBA 患者的血红蛋白水平有积极作用，可用于治疗DBA。除了达那唑，L-亮氨酸、Sotatercept、TFP 和EPAG 也已经在进行临床试验中[34]。对于5q 综合征患者，目前主要使用来那度胺，其能够通过增加MDM2 Ser166/186的磷酸化，使p53 降解增加，从而达到治疗的目的[35]。然而，长期p53 失活可能增加各种癌症的患病风险，因此，迫切需要寻找其替代方案。

4.2.2 神经系统疾病的治疗

据报道，核糖体蛋白与缺血性脑卒中的发病率密切相关，RPS3、RPS15 可能是调控急性缺血性脑卒中的关键调节蛋白[36]。研究发现，RPS3 能够通过与E2F1 转录因子相互作用，诱导促凋亡蛋白BH3-only、Bim 和D p5/HRK 的表达，导致神经元凋亡。此外，研究还发现，RP 与帕金森病的发展联系密切。LRRK2 中的G2019S 突变会导致翻译缺陷，而磷酸化的RPS15 能够与LRRK2 结合，增强神经元5'UTR 的mRNA 的翻译，缓解哺乳动物大脑中的钙失调[37]。

4.2.3 炎症性疾病的治疗

RPS19 能够通过降低MIF 活性，激活ERK 和NF-κB 信号通路，抑制肾小球新月体形成、肾小球坏死和进行性肾功能障碍，从而阻断肾小球基底膜和肾小球肾炎的发展[38]。此外，RPS19 也能够通过下调TNF-α 和MCP-1 的表达，减少F4/80+巨噬细胞、中性粒细胞和CD3+T 细胞在肾脏中的浸润，抑制MIF/CD74/NF-κB 介导的肾脏炎症，从而减轻顺铂诱导的急性肾损伤[39]。

4.2.4 抑制rRNA 合成或调控RP 表达用于治疗癌症

pol I 调控rDNA 转录生成rRNA，是核糖体生物合成的限速步骤，在癌症的进展中起着核心作用。pol I 活性异常增加，会破坏核仁的核糖体外功能，使核糖体合成不受控制，导致细胞恶性增殖。因此，pol I 是选择性抑制癌细胞生长的极佳靶标。目前已研究出几种Pol I 转录抑制剂用于癌症治疗，包括ML-246、CX-3 543、CX-5 461、BMH-21。CX-5 461 是第一个完成I 期临床试验的pol I 抑制剂，其主要通过与起始前复合蛋白SL1 竞争rDNA启动子来抑制Pol I 转录。BMH-21 是最新发现的pol I 抑制剂，其通过结合rDNA，抑制转录起始和延伸[40]。

如前所述，调控RP 表达可影响癌细胞的生长。MiR-449a 受到PEG10 的负调控，并靶向下调RPS2，进而抑制神经母细胞瘤细胞增殖、迁移和侵袭，减缓癌症的发展[41]。除此之外，靶向调控其他RP 如RPS9、RPL23、RPL15a 等也可用于癌症的治疗。

4.2.5 调节 RP-MDM2-p53 途径用于癌症治疗

RP 能够调节MDM2-p53 通路，参与癌症的发生和发展。最新研究发现，WDR74 在黑色素瘤进展和转移中起重要作用，其低表达能够上调RPL5蛋白水平，下调MDM2，使p53 免受MDM2 诱导的泛素化降解[42]。此外，与MDM2 结合的其他RP如RPL15、RPS27a、RPS7 等，也能够调节RP-MDM2-p53 通路，用于癌症的治疗。

5 线粒体核糖体蛋白

线粒体核糖体是一类独特的核糖体，位于线粒体的基质，在调节细胞呼吸中起关键作用。线粒体核糖体蛋白（mitochondrial ribosomal protein，MRP）是构成线粒体核糖体的重要组成部分。线粒体55S 核糖体由39S 和28S 两个亚基组成。39S 亚基由16S 线粒体rRNA（mitochondrial ribosomal-rRNAs，mt-rRNAs）和50 个MRP 组成，28S 亚基由12S mtrRNAs 和29 个MRP 组成[43]。

与胞质RP 类似，MRP 也具有核糖体外功能，包括细胞增殖、凋亡、迁移和自噬等细胞过程。据报道，MRPS23 的低表达能够抑制乳腺癌细胞的增殖，在乳腺癌异种移植大鼠模型中，靶向MRPS23的shRNA 能够阻断肿瘤血管生成，抑制肿瘤增殖和转移[44]；MRPL42 的低表达能够引起细胞周期阻滞，激活caspase3/7 活性，诱导细胞凋亡[45]；MRPL35的低表达能够增加ROS 积累，并作用于线粒体，破坏线粒体膜电位，从而诱导细胞凋亡和自噬[46]；在胶质瘤中，MRPS16 的过表达能够通过激活PI3K/Akt/Snail 信号通路，促进细胞的迁移和侵袭等[47]。

许多研究报道，MRP 与各种疾病的发生和发展相关，可用作多种疾病发展诊断的标志物。研究发现，MRPL39 能够通过靶向胃癌中的miR-130 发挥抑癌作用，可作为胃癌诊断和预后的生物标志物[48]； MRPS2、 MRPL23、 MRPS12、 MRPL12 和MRPS34 可能是异硫氰酸苄酯治疗胶质母细胞瘤潜在的生物标志物[49]；最新研究发现MRPL3 是急性高山病相关的枢纽基因之一，未来可作为生物标志物和治疗靶点进行疾病诊断和治疗[50]。然而，目前MRP 与各类疾病进展的确切机制研究尚不够深入，因此需进一步进行探索和确证。

6 结语

RP 是构成核糖体的重要成分，除了参与核糖体的组装之外，还具有核糖体外功能。RP 能够调控基因表达、细胞周期、增殖、凋亡、迁移、侵袭、转化以及血管生成，进而影响疾病的进展。RP 的生物合成及核糖体外功能的执行是极其复杂的过程，随着人们对RP 与疾病的深入研究，现已揭示RP 在许多疾病中的作用，并成为潜在的治疗靶标，因此，深入研究RP 在疾病发生和发展中的作用机制，靶向RP 调控其核糖体外功能，有望改善疾病的预后。目前，临床上已有药物通过调控RP 的表达控制疾病的进展，但存在副作用较大、无法根治等问题，因此，减少药物的副作用，提高药物的疗效，是未来开发临床药物的目标。