核糖體生物合成與腫瘤的研究進展

錢麗麗，張紅河

0 引言

核糖體是細胞內蛋白質合成重要的細胞器，影響細胞的正常功能。合成新核糖體的過程被定義為核糖體生物合成。核糖體生物合成是一個高度復雜和保守的過程，主要發生在核仁中[1]。核糖體生物合成包括核糖體RNA（ribosomal RNA,rRNA）轉錄、rRNA前體加工和核糖體亞基組裝的過程。在生物體中，除了rRNA和核糖體蛋白（ribosomal protein），還有超過300種非核糖體反式作用因子在核糖體生物合成的過程中發揮作用，它們也被稱為核糖體組裝因子[2]。

早期研究認為，為了滿足腫瘤細胞持續生長，通過核糖體生物合成的增加來維持高效的蛋白質合成效率是必需的，但是越來越多的研究表明核糖體生物合成的異常，包括核糖體數量的增加和修飾的改變可能會影響腫瘤的發生[3]。因此，核糖體生物合成與腫瘤發生發展息息相關。本文中我們將綜述核糖體生物合成過程及其與腫瘤發生發展的關系。

1 核糖體生物合成過程

作為細胞內合成蛋白質的重要細胞器，真核生物的核糖體由大小亞基組成，按照沉降系數，稱為60S大亞基和40S小亞基。核糖體的大小亞基均由rRNA與核糖體蛋白構成。小亞基包含了18S rRNA和33種核糖體蛋白。而大亞基包含了5S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA以及47種核糖體蛋白。

核糖體生物合成過程見圖1（自繪）。在RNA聚合酶Ⅰ、選擇性因子1（selectivity factor 1,SL1）、上游結合因子（upstream binding factor,UBF）、轉錄起始因子1（transcription initiation factor 1,TIF-1A）和轉錄終止因子1（transcription termination factor 1,TTF-1）作用下，核糖體DNA（ribosomal DNA,rDNA）轉錄成47S pre-rRNA。47S pre-rRNA是由18S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNA串聯組成的rRNA前體，這三種rRNA由轉錄間隔序列分隔開。rRNA轉錄的速率由RNA聚合酶Ⅰ的活性決定，并且rRNA的轉錄是核糖體生物合成的限速步驟[1]。而5S rRNA則是在核漿中由RNA聚合酶Ⅲ作用下轉錄得到。在這個過程中，轉錄因子TFⅢC和TFⅢB是必需的。

圖1 核糖體生物合成的過程Figure 1 Process of ribosome biogenesis

Pre-rRNA轉錄本的成熟包括：剪切步驟和化學修飾。47S pre-rRNA需要經過剪切，切除多余的轉錄間隔序列。并且在小核仁RNA（small nucleolar RNA,snoRNA）和核糖核蛋白（ribonucleoprotein,RNP）形成的復合物作用下，rRNA發生特定修飾，包括甲基化和假尿苷化修飾[4]，從而得到成熟的28S、18S和5.8S rRNA。這種rRNA的特定修飾，有利于rRNA的正確折疊以及與核糖體蛋白的結合[5]。

在pre-rRNA的加工過程中，核糖體組裝因子和核糖體蛋白會以協同的方式組裝到prerRNA上，形成前核糖體顆粒（pre-ribosomal particles）。28S、5.8S及5S rRNA與核糖體蛋白組成pre-60S亞基，18S rRNA與核糖體蛋白組成pre-40S亞基。核糖體組裝因子和核糖體蛋白是在細胞質中生成，并通過核孔復合物被運輸到細胞核中參與核糖體的組裝[6]。

前核糖體顆粒形成后，通過出核轉運蛋白被轉運到細胞質中。當到達細胞質后，前核糖體顆粒經歷最終成熟過程，包括pre-rRNA的進一步加工、剩余核糖體蛋白的組裝以及組裝和轉運因子的釋放[6]，形成具有翻譯能力的核糖體。

核糖體生物合成是一個非常復雜的過程，關于人類核糖體生物合成機制的研究尚未完善。近來對核糖體生物合成的深入研究有助于我們探討核糖體生物合成與腫瘤之間的關系。

2 腫瘤中核糖體生物合成的異常

由于腫瘤細胞代謝旺盛，生長和增殖能力增強，在腫瘤中核糖體生物合成異常頻繁發生，具體描述如下。

2.1 rDNA的不穩定

人類rDNA在基因組中存在數百個拷貝，它們組成頭尾相連的串聯重復序列，形成基因簇。這些重復序列很不穩定，彼此之間容易發生重組。轉錄產生47S pre-rRNA的47S rDNA基因簇位于5對人類常染色體上，轉錄產生5S rRNA的5S rDNA基因簇位于1對人類常染色體上。在超過一半的肺癌和結直腸癌樣本中，檢測到rDNA基因簇的結構改變，使這種基因組重排成為在成人實體腫瘤中最常見的特殊染色體改變之一[7]。對腫瘤和配對正常組織樣本的全基因組數據分析發現，腫瘤中rDNA的拷貝數變異超過正常組織的十倍，并且大多數腫瘤都發生了47S rDNA拷貝數缺失和5S rDNA拷貝數擴增[8]。在一項前瞻性隊列研究中發現，rDNA拷貝數的變化與肺癌風險有關[9]。

2.2 rRNA合成異常

rRNA合成異常包括rRNA合成增加和rRNA修飾異常。在原發性結直腸癌組織中47S pre-rRNA的表達量明顯高于正常結直腸黏膜組織中47S prerRNA的表達量[10]。在大多數宮頸鱗狀上皮內病變組織中發現rRNA表達水平高于正常組織，在大多數前列腺癌組織中也發現rRNA表達水平升高[11]。目前在腫瘤中rRNA修飾的研究還不是很多，但已有研究發現在侵襲性的乳腺癌細胞系中，rRNA特定位點的甲基化修飾增強。同時，參與rRNA修飾的修飾因子在多種腫瘤中的突變提示在腫瘤中rRNA修飾的異常[12]。

2.3 核糖體蛋白基因發生突變

已有研究報道，核糖體蛋白基因突變直接導致的核糖體疾病[13]會導致癌癥易感性綜合征：人類疾病戴-布二氏貧血（Diamond Blackfan Anemia）與核糖體蛋白基因RPS19、RPS17、RPS24、RPL35a、RPS7、RPL5和RPL11的突變有關，它的重要特征是再生障礙性貧血和易患白血??；RPS14的突變與急性髓系白血病的易感性有關[14]。近來一系列應用全外顯子測序或者全基因組測序的研究[15]，在多種腫瘤中都發現核糖體蛋白基因的突變相對頻繁，例如，子宮內膜癌中RPL22的突變、在急性T細胞型淋巴細胞白血病中RPL10、RPL5、RPL11的突變、結直腸癌中RPS20的突變以及膠質瘤中RPL5的突變。

2.4 核糖體蛋白表達的失調

在多種腫瘤中發現特定核糖體蛋白表達量上調，例如，RPL5、RPS3、RPS6、RPS8、RPS12在結直腸癌中表達量高于正常結直腸黏膜組織。在胃癌組織和細胞系中RPL15的表達量上調。在人類肝癌組織和細胞系中檢測到RPS8、RPL12、RPL23a、RPL27、RPL30 mRNA水平升高[16]。使用TCGA數據分析也發現，與正常組織相比，腫瘤組織中核糖體蛋白表達水平的中位數增加了30%。并且許多核糖體蛋白僅在特定腫瘤中表現出明顯的失調，例如：RPL21L1和RPS27L在乳腺癌和甲狀腺癌中表達上調，而RPL21表達下調[17]。

以上是腫瘤中核糖體生物合成的異常情況。值得一提的是，在正常組織干細胞中也具有較高的rRNA合成速率，意味著干細胞與腫瘤細胞都具有活躍的核糖體生物合成。并且與腫瘤細胞類似地，干細胞中的核糖體生物合成會促使核糖體選擇性翻譯mRNA從而調控特定基因的表達[18]。然而，干細胞與腫瘤細胞之間核糖體生物合成存在差異性，表現為：在腫瘤細胞中，核糖體生物合成異常頻繁發生，這種失調會打破蛋白質合成穩態；而在干細胞中，核糖體生物合成受到嚴格調控，并且在干細胞的分化過程中，rRNA合成速率降低。核糖體生物合成受到嚴格調控從而維持干細胞穩態，而它在腫瘤中的異常促進了腫瘤發展，具體作用機制還有待進一步研究。

3 腫瘤細胞中核糖體生物合成的調控

核糖體生物合成在腫瘤中異常，取決于多種因素，包括原癌基因和抑癌基因的改變以及細胞內特定信號通路的激活。核糖體生物合成受到許多關鍵的細胞生長和增殖信號通路的嚴格調控[19]，主要包括：RAS/RAF/MEK/ERK、MYC和PI3K/AKT/mTOR。這些通路形成了一個復雜的網絡，共同調節細胞生長和增殖。

3.1 轉錄因子MYC

轉錄因子MYC（c-MYC癌基因產物）是最常見的激活癌蛋白之一，在約50%的癌癥中過度表達，它能結合和調控大量基因，包括許多編碼核糖體蛋白、rRNA加工因子和翻譯因子的基因。MYC被認為是核糖體生物合成的主要調節因子，能夠調控三種RNA聚合酶[20]。在MYC驅動的腫瘤中，MYC會調節很多RNA聚合酶Ⅱ轉錄的基因，包括核糖體蛋白基因。MYC也會調節RNA聚合酶Ⅲ介導的轉錄，增強tRNA、5SRNA以及其他小RNA基因的轉錄。同時，研究發現MYC與SL1結合促進SL1被招募到rDNA啟動子上，直接促進RNA聚合酶Ⅰ介導rRNA的轉錄。MYC刺激核糖體生物合成可能是促進細胞生長和腫瘤發生的關鍵途徑。

3.2 RAS/RAF/MEK/ERK信號通路

細胞外信號調節激酶ERK通過信號轉導級聯被激活，包括RAS、RAF和ERK激酶MEK。ERK會調節RNA聚合酶Ⅲ和RNA聚合酶Ⅰ介導的轉錄。ERK磷酸化并激活UBF和TIF-1A，從而刺激RNA聚合酶Ⅰ合成rRNA。ERK也直接激活一般轉錄因子TFⅢB，以增加RNA聚合酶Ⅲ對編碼tRNA和5S rRNA的基因的轉錄?？梢哉J為，MYC增加了促進核糖體生物合成的轉錄因子的數量，而ERK則增加了它們的活性[21]。

3.3 PI3K/AKT/mTOR信號通路

PI3K激活后，磷酸化AKT使其激活，信號通過AKT傳遞到下游靶點。mTOR存在兩種蛋白復合物，即mTORC1和mTORC2，主要調控核糖體生物合成的是mTORC1。mTORC1主要通過核糖體蛋白S6激酶（S6K1/2）和翻譯起始因子結合蛋白（4E-BP1/2/3）調控核糖體蛋白的合成和rRNA的合成[22]。mTORC1一方面增強5’-TOP mRNA的翻譯從而促進核糖體蛋白的翻譯。另一方面mTORC1上調UBF的表達和增加其羧基端激活結構域的磷酸化，磷酸化的UBF與SL1相互作用明顯增強，促進RNA聚合酶Ⅰ對rDNA的轉錄[23]。此外，激酶AKT在多個水平上調節rRNA的轉錄，包括轉錄的起始和延伸，促進rRNA的合成，并且RNA聚合酶Ⅰ的轉錄延長需要持續的依賴于AKT的信號。AKT的這種促進核糖體生物合成的作用獨立于其激活mTORC1產生的作用。并且AKT還會與MYC協同作用，在MYC驅動的淋巴瘤生成過程中，AKT信號對核糖體生物合成和細胞存活是必需的。

眾所周知，RAS/RAF/MEK/ERK、MYC和PI3K/AKT/mTOR信號網絡調控異常已被證明在腫瘤的發生和發展中起著關鍵作用?？紤]到這個信號網絡對核糖體生物合成的關鍵調控作用，可以認為，核糖體生物合成是RAS/RAF/MEK/ERK、MYC和PI3K/AKT/mTOR通路驅動惡性腫瘤的重要環節。

因此，核糖體生物合成異常不只是腫瘤發生的結果，它可能會直接促進惡性轉化和腫瘤的發生，并且也逐漸被認為是多種腫瘤的一個可行的治療靶點。

4 核糖體生物合成作為腫瘤治療的有效靶點

使用藥物抑制核糖體生物合成可以激活核仁應激反應[24]。具體來說，當核糖體生物合成受到抑制時，多余的核糖體蛋白聚集起來，激活了RPMDM2-P53信號通路：P53的表達和活性主要受MDM2調控，MDM2是一種E3泛素連接酶，通過與P53結合抑制其轉錄活性，并促進其蛋白酶體的降解。部分核糖體蛋白如RPL5、RPL11、RPL23會與MDM2相互作用，從而抑制其活性，穩定P53。P53作為一種抑癌基因，導致細胞周期阻滯和細胞凋亡。

除了依賴于P53途徑的抑癌作用，藥物靶向核糖體生物合成治療腫瘤的理論依據是相比正常細胞，腫瘤細胞產生更多的核糖體，一旦核糖體生物合成被抑制，腫瘤細胞比正常細胞更容易受到影響。這里藥物設計的基本思想是針對核糖體生物合成的具體幾個步驟，包括rRNA轉錄、Pre-RNA加工、核糖體組裝等。事實上，有許多經臨床批準的藥物，其治療作用至少部分是通過破壞核糖體生物合成來實現的，例如，順鉑、奧沙利鉑、阿霉素、米托蒽醌和絲裂霉素C均在rRNA轉錄水平上抑制核糖體的合成，而5-氟尿嘧啶、喜樹堿在rRNA加工水平上抑制核糖體的合成[19,25-26]。

5-氟尿嘧啶可以抑制胸苷酸合酶，與47S prerRNA結合，抑制rRNA后期加工，導致細胞凋亡。5-氟尿嘧啶的細胞毒性依賴于P53，且依賴于HDM2的活性。順鉑能誘導DNA鏈內交聯，抑制RNA聚合酶Ⅰ轉錄。低濃度順鉑可特異性抑制RNA聚合酶Ⅰ，而不抑制RNA聚合酶Ⅱ的轉錄，從而在rRNA轉錄水平上抑制核糖體生物合成?？紤]到順鉑的抗腫瘤作用也與其DNA損傷作用有關，有研究指出，順鉑的類似物奧沙利鉑不是通過DNA損傷反應殺死細胞，它主要通過抑制核糖體生物合成引發核仁應激發揮抗癌作用[27]。其他抑制了核糖體生物合成的抗腫瘤藥物見表1[19,26,28]。

為了特異性抑制核糖體生物合成而不產生遺傳毒性，科學家們正在努力開發新的藥物，現在研究最多的是抑制rRNA轉錄的化合物，比如CX-5461，它可以選擇性抑制RNA聚合酶Ⅰ的功能從而實現抑制核糖體生物合成。到目前為止，CX-5461已被廣泛研究，在多種腫瘤包括白血病、淋巴瘤、骨髓瘤、前列腺癌、骨肉瘤、卵巢癌和神經母細胞瘤中具有抗癌作用。具有相似作用的化合物還有CX-3543、BMH-21等。

但是這些化合物存在一些局限性：首先，并不是所有的細胞系對RNA聚合酶Ⅰ抑制劑都敏感；其次，兩個CX-衍生物和BMH-21是一種DNA結合化合物，能夠直接與任何富含GC或含有G4的DNA序列相互作用，表明它們可以與其他基因組DNA結合；再次，已有案例表明 CX-5461能夠產生獲得性耐藥[29]。

表1 抑制核糖體生物合成的抗腫瘤藥物Table 1 Antineoplastic drugs which inhibit ribosome biogenesis

5 展望

核糖體生物合成逐漸被認為是治療腫瘤的有效靶點，越來越多抗癌新藥的開發都把方向對準核糖體生物合成，例如Scull等[30]利用高通量篩選器對核糖體生物合成抑制劑進行鑒定，開發了有效的rRNA合成抑制劑。當然，設計藥物的方向還可以針對核糖體生物合成的其他步驟，例如針對核糖體的組裝步驟，或者針對特定核糖體組分的化學修飾。此外，聯合靶向核糖體生物合成的藥物與核糖體生物合成相關信號通路可能會產生更好的治療效果，例如聯合應用rDNA轉錄抑制劑（CX-5461）與mTORC1抑制劑依維莫司治療淋巴瘤[31]，或者將CX-5461與pan-PIM激酶抑制劑CX-6258聯用治療前列腺癌[32]?？傊?，針對核糖體生物合成開發抗癌新藥將具有廣闊的應用前景。