哺乳动物核仁应激研究进展

胡 威，刘 犇

（1.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西宜春 336000；2.江西绿科农牧科技有限公司，江西宜春 336000；3.江西省高等学校硒农业工程技术研究中心，江西宜春 336000）

核仁是真核生物细胞核中一种无膜的不定型结构，其主要功能是参与核糖体的生物合成，许多与核糖体RNA 合成相关的分子均定位在核仁中，在核糖体的生物合成过程中需要相关分子间进行严密的调控，以维持细胞的增殖与生长[1-2]。核仁应激（Nucleolar Stress）是指细胞内核糖体生物合成受阻或功能受到抑制进而导致细胞内稳态受到破坏，因此又称为核糖体应激（Ribosomal Stress）[3]。近几年核仁应激成为研究热点，尤其是在肿瘤治疗和生殖调控方面已取得较为深入的研究成果[4-5]。本文对核仁应激以及核仁应激对哺乳动物肿瘤细胞和胚胎着床的调控进行综述，以期为核仁应激的进一步研究提供参考。

1 核仁与核仁应激概述

1.1 核仁 核仁是真核细胞细胞核内一种常见的结构，通过透射电镜观察，根据电子密度的不同可将核仁分为纤维中心（Fibrillar Center，FC）、致密纤维组分（Dense Fibrillar Component，DFC）和外周颗粒组分（Peripheral Granular Component，GC）3 个部分，GC将FC 和DFC 完全包被在内部。各部分在核糖体生物合成过程中发挥着不同的作用，前核糖体RNA（prerRNA）的转录是在FC 与DFC 的交界处进行，而prerRNA 的加工以及初始核糖体亚基的组装大部分都是在DFC 中完成，当核糖体的大小亚基进入GC 后在鸟苷三磷酸酶（GTPases）的参与下会进一步进行组装和成熟（图1）[3]。当哺乳动物细胞进行分裂时，核仁会发生分解，分裂活动结束后核仁会在核仁组织区（Nucleolar Organizing Regions，NORs）进行重组，进而参与细胞内相关生理活动的调控过程[6]。核仁的形态和大小与核仁的活性有关，而核仁的活性又取决于细胞的生长与代谢水平[7]。许多研究表明核仁能够有效感应不同类型的细胞应激，因此就提出了“核仁应激”的概念。

1.2 核仁应激 正常生理状态下，核糖体能够在核仁中进行有序合成，当细胞受到一些因素刺激时，核糖体的生物合成过程会受到阻碍，进而引起细胞内稳态的破坏，这些刺激因素即为核仁应激的应激源[8]。目前，能够引起核仁应激的常见应激源主要有化疗药物[如放线菌素D（Actinomycin D，ActD）、CX5461 等][9-10]、紫外照射[11]、低氧环境[12]和饥饿[8]等。通常情况下，核仁应激会引起p53 依赖性的细胞周期阻滞，但近期有研究表明核仁应激同样有p53 非依赖性调控通路的存在，且其最终同样能够引起细胞周期的阻滞或细胞凋亡[3,13]。因此，核仁应激可分为p53 依赖性和p53 非依赖性的核仁应激。与其他类型的细胞应激不同的是核仁应激不会引起核仁整体结构的破坏，而仅仅是部分核仁分子的定位发生相应变化，即由核仁穿梭到了核质或胞质[14]。核仁应激概括起来主要有4 个特点：①核仁体积变小；②RNA 聚合酶Ι（RNA Pol Ι）介导的rRNA 的合成被抑制；③核仁应激相关蛋白会发生核质转位；④细胞周期阻滞[15-16]。核仁应激标志分子主要是一些在非应激状态下定位于核仁表达的分子，当发生核仁应激时，这些分子会发生定位的变化以调节相关信号通路来应答核仁应激，近年研究工作主要集中于核仁磷酸蛋白1（Nucleophosmin 1，NPM1）[5]。NPM1也被称作В23、No38 或Numatrin，属于组蛋白分子伴侣超家族中的NPM 家族，该家族成员还包括NPM2、NPM3 及无脊椎动物NPM 样分子，能够参与核糖体生物合成、mRNA 加工、染色质重组、胚胎发育和核仁应激等过程[17-19]。小鼠敲除NPM1会导致其器官发育异常，尤其对于前脑的发育影响最大[18]。由此可见，NPM1 在正常生理过程中发挥着十分重要的作用。

抑癌基因p53能够有效抑制癌症的发生和发展，是细胞基因组或细胞自身主要监测分子[20]。当细胞受到应激源刺激时，p53可能被有效激活，进而反式激活一些靶基因，从而促进DNA 的修复过程及引起细胞周期的阻滞，有的甚至会诱导细胞凋亡或自噬过程的发生。由此可见，p53 对于细胞命运的调控起着主要作用[21-23]。在正常生理条件下，癌基因鼠双微体2（Murine Double Minute 2，MDM2，在人中为HDM2）能够对p53 进行调控，其作为p53 的E3 泛素连接酶能够对p53 进行泛素化降解，从而稳定维持p53 的表达水平[24]。在正常生理条件下，核仁应激的标志分子NPM1 定位于核仁表达，当细胞内发生核仁应激时，NPM1 会瞬时由核仁穿梭到核质进行定位，与p53 竞争性结合MDM2，从而降低MDM2 对p53 的泛素化降解水平，最终导致p53 在细胞中大量积累[25]。NPM1-p53 信号调节通路是典型的p53 依赖性核仁应激调控通路，目前已在多种细胞系中得到证实。

在p53野生型细胞中核仁应激的调控较为复杂，当细胞中包含突变型的p53或无p53存在时，核仁应激对细胞周期的调控机制与p53 依赖性核仁应激的调控机制完全不同，该类型的核仁应激被称为p53非依赖性核仁应激。有研究表明，在缺乏功能性p53 的人宫颈癌细胞（HeLa Cells）中核仁应激能够引起细胞周期的阻滞以及细胞凋亡的发生[26-27]。此外，在p53敲除的细胞中抑制RNA 聚合酶Ι（RNA Pol Ι）的活性能够引起转录因子E2F1 的表达下调，这主要是由于核糖体蛋白L11（Ribosomal protein L11，RPL11）的释放所引起的，RPL11 被释放后能够与MDM2 结合，从而使MDM2 调控的E2F1 的稳定性功能失活[28]。说明在p53 非依赖性机制的存在条件下，核仁应激与细胞周期阻滞能够联系在一起。又有研究表明，在p53敲除细胞中，核仁应激能够致使原癌基因丝氨酸/苏氨酸-蛋白激酶PΙMΙ 的不稳定，从而引起p27Kip1 的水平上调，进而造成细胞周期的阻滞[29]。

2 核仁应激与肿瘤细胞

肿瘤细胞靶向治疗方法一直是近几年医学领域的研究热点，关于核仁应激对肿瘤细胞的调控研究也应运而生。抑癌基因p53能够有效抑制肿瘤细胞的生长，因此，与核仁应激之间建立了必然联系。肿瘤化疗药物ActD作为核仁应激的诱导剂之一，目前已被广泛应用于核仁应激相关研究[9]。A549 肺癌细胞系经ActD 处理后，能够引起p53 在Ser46 位点发生磷酸化，进而激活p53调控通路，引起细胞周期的阻滞[30]。正常生理条件下，细胞衰老抑制基因（Cellular Senescence-inhibited Gene，CSΙG）在人骨肉瘤细胞（U2OS）系中定位于核仁表达，该分子能够参与多种生理调控过程，其中包括对肝细胞癌（Hepatocellular Carcinoma，HCC）增殖的调控[31-32]。U2OS 细胞经ActD 处理后引起核仁应激的发生，CSΙG 会瞬时由核仁穿梭到核质与MDM2 结合，进而引起p53 的累积，最终导致细胞周期的阻滞[31]。HeLa细胞在正常培养条件下能够无限增殖，细胞周期正常循环进行，当细胞经0.04 μg/mL 的ActD 处理后能够诱导核仁应激发生，细胞周期会明显阻滞于G2 期，最终引起细胞凋亡的发生；进一步研究显示，该过程是通过ATR（Ataxia Telangiectasia and Rad3-related Protein）-Chk1（Checkpoint Kinase 1）信号通路进行调控的[16]。

在癌细胞中抑制核糖体生物合成可能会降低蛋白质的合成率，并且会激活核糖体应激信号通路，这一发现将为用于治疗癌症的rRNA 转录小分子抑制剂的研发提供一定指导[33-34]。选择因子1（Selectivity Factor 1，SL1）是47S pre-rRNA 合成过程中所必需的转录因子[35]，作为核仁应激的另一诱导剂，CX-5461 能够有效阻断SL1 结合到一些rDNA 基因的启动子区域，从而阻止rRNA 转录的发生[36]。Вywater 等[37]研究发现，CX-5461 能够通过RPL5-RPL11 信号通路激活p53，从而诱导В 细胞淋巴瘤发生凋亡，将正常В 细胞分离出来。Sakaguchi 等[38]研究表明，小檗碱同样能够在人乳腺癌细胞（MCF7 Cells）中激活核仁应激RPL5-RPL11-p53信号通路，引起细胞周期的阻滞，最终导致细胞凋亡。DNA 嵌入剂ВMH-21 能够有效抑制Pol Ι 的活性，进而抑制体内或体外癌细胞的生长[39]。尽管ВMH-21 能够嵌入到DNA 并与GC 富集区高度亲和，但这并不会引起显著的DNA 损伤，但最终会激活p53，这一结果可能是通过核仁应激RPL5-RPL11-5S rRNA-MDM2-p53信号通路的调控来得以实现的[40]。因此，在避免正常细胞发生明显的DNA 损伤或产生细胞毒性的前提下，可通过选择性激活p53 依赖性或非依赖性的核仁应激来特异性抑制rRNA 的合成，以达到阻断恶性肿瘤继续发展的目的[41]。以上研究表明，核仁应激抑制肿瘤细胞的生长主要是通过激活p53 信号调控通路以及接下来细胞周期阻滞的诱导来实现的。目前，利用激活核仁应激p53 信号调控通路来抑制细胞增殖的特性，一些药物在肿瘤细胞系中的实验也取得了理想的结果[42-43]，这将为开发新的肿瘤治疗药物奠定一定基础。

3 核仁应激与胚胎着床

活化的胚胎和处于接受态的子宫是妊娠成功建立的2 个同时必备的条件，胚胎与子宫之间精确对话建立的过程称为胚胎着床（Embryo Ιmplantation）[44]。胚胎着床是一个较为复杂的过程，伴随有形态学、生理学以及生物化学的改变，涉及一系列的信号转导途径，其中核仁应激与胚胎着床之间也存在着一定的调控关系，这在近期的研究中得到了很好阐述[5]。

Finn 等[45]研究发现ActD 能够有效激活正常妊娠第4 天双侧卵巢切除鼠胚胎的着床，后来该结果在大鼠[46]中也得到了验证。ActD 作为核仁应激诱导剂能够激活延迟胚胎着床，并且核仁应激诱导上调的p53 分子是胚胎着床过程中的关键分子[47]，推测核仁应激与胚胎着床之间可能存在着某些调控关系[5]。近期研究表明ActD 能够诱导小鼠和人的子宫内膜上皮细胞发生核仁应激，NPM1 由核仁穿梭到核质进而引起p53 的累积，并且能够诱导子宫内膜接受态标志分子Lif 和p-Stat3表达水平的显著上调[48-49]，从而促进子宫内膜接受态的建立，为胚胎的着床提供有利条件。NPM1 的功能被抑制后，小鼠的胚胎着床过程会受到严重损伤。在人子宫内膜上皮细胞中的研究表明，核仁应激能够有效提高胚胎的黏附率，为胚胎的成功着床提供十分有利的条件；小鼠在正常妊娠过程中有核仁应激的发生，且出现在围着床期；后续研究发现，胚胎分泌的乳酸是引起子宫内膜上皮细胞在正常生理条件下发生核仁应激的主要诱导因素之一[5]。该研究首次在小鼠模型和人细胞系中对核仁应激与胚胎着床之间的调控机制进行了研究。目前，在其他动物中关于核仁应激与胚胎着床之间的具体调控机制的研究未见报道。

4 小结与展望

综上所述，核仁应激在肿瘤细胞系中的研究已广泛开展，对于不同类型的肿瘤细胞可通过核仁应激相关调控通路诱导p53 的累积以引起细胞周期的阻滞，进而诱导细胞凋亡的发生，更深入地了解和研究核仁应激在诱导肿瘤细胞发生凋亡过程中的具体作用机制可为后期抗癌新药物的开发和降低药物副作用的研究提供新的理论基础。核仁应激在胚胎着床过程中具有积极的促进作用，深入研究核仁应激在胚胎着床过程中的具体调控机制将有助于更好地理解动物早期妊娠的分子调控机制，为临床上有关生殖的研究提供相关理论依据，但关于该方面的研究还较少，尤其是在家畜中还处于空白，在家畜中开展该方面的研究可为动物生产提供一定的理论指导意义。