m5c甲基转移酶NOP2的研究进展

王天云,奎 翔,李自莲,王小芳,王 燕

(昆明医科大学第二附属医院病理科,云南 昆明 650032)

转录后修饰是表观遗传学的重要组成部分,主要由DNA和RNA修饰执行。以往的研究多集中于DNA修饰,但在真核生物的生物学行为和肿瘤发生过程中,广泛的RNA修饰同样发挥着举足轻重的作用[1],该修饰方法也被称为“外转录组”。对“外转录组”功能的研究正在不断增加,这些功能对人类病理学具有重要意义[2]。技术的进步和发展让我们加深了对分子过程的理解,这些过程受到RNA修饰的精细调节,包括RNA代谢、衰变、剪接、翻译、定位、稳定性、周转、与RNA结合蛋白或其他RNA的结合,从而使遗传信息多样化。m5c是在各类RNA中含量丰富的一种修饰,在众多新技术的助力下,在信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)、核糖体RNA(rRNA)以及长非编码RNA(lncRNA)中均存在m5c[3]。m5c可以调节各类RNA的分子功能,如m5c可增加斑马鱼mRNA的稳定性,此外,在含量最丰富的tRNA和rRNA中,它还参与翻译进程[4]。m5c甲基化修饰是在甲基转移酶的催化作用下利用S-腺苷-L-甲硫氨酸作为供体将甲基转移到RNA上,这一催化机制最近得到了很好的验证。m5c甲基转移酶主要包括NOL1/NOP2/sun家族,该家族由NSUN1-7组成,本文对其家族成员NOP2(NSUN1)在生物体中发挥的功能以及对多类疾病发生、发展的影响作以综述,并探讨它作为相关疾病治疗靶点的潜力。

1 NOP2的已知功能

m5c甲基转移酶NOP2也称为NSUN1或P120,是一种高度保守的RNA连接蛋白,分子量为120 kDa,最早于1988年被Freeman等人发现[5]。NOP2属于前核糖体蛋白家族,在前rRNA加工中具有两个功能,即作为切割的必要因子和参与m5c RNA修饰。人NOP2蛋白在体外可通过其富含精氨酸的结构域与28 rRNA结合,并参与60S以及80S前核糖体颗粒生成。而在酵母菌中,NOP2的同系蛋白底物NOP2P可以促进27S RNA甲基化和成熟。NOP2是胚胎着床前发育的重要因素,主要集中在细胞核中,特别是核仁周围,从单个受精卵到桑椹胚的发育阶段中,它的蛋白丰度逐渐增加。敲除NOP2后受精卵的早期生长并未受到影响,但后续的胚胎无法发育至囊胚阶段。在NOP2敲除的胚胎中,各类RNA含量下降,即RNA稳定性受到影响,这些结果说明NOP2具有增加RNA稳定性的功能[6]。NOP2能够在生长发育中发挥重要作用源于其参与细胞周期调控,它在细胞周期的G1期表达,并在S期达到顶峰。证据显示,NOP2是新的端粒酶RNA组件结合蛋白,通过与端粒酶RNA组件结合激活细胞周期蛋白D1基因的转录。同时,端粒酶也通过与NOP2的相互作用被招募到细胞周期蛋白D1启动子上,进一步增强细胞周期蛋白D1转录。NOP2是一种新的促细胞增殖途径,端粒酶通过这种途径促进细胞周期蛋白D1表达以实现对细胞周期的调控[7]。在获得生长刺激信号后,NOP2可被迅速诱导,在正常生长状态下,它的蛋白总量处于动态平衡中,但在病理状态下,这种平衡可能会被打破,NOP2蛋白过度生成会引起细胞失控性增殖。此外,作为一种核仁蛋白,它可以和穿梭蛋白B23结合形成融合蛋白往返于核仁及胞质,研究发现,NOP2与核仁的过度活跃有关,它的表达是细胞快速生长的标志[8]。NOP2异常表达与多种肿瘤的预后存在千丝万缕的联系。根据报道,NOP2是骨髓分化过程中粒细胞集落刺激因子信号转导的直接靶标,它的过度表达可导致中性粒细胞的异常成熟[9]。NOP2在神经系统中具有特殊作用,它与神经组织的再生存在联系,并可以作为评估神经组织内细胞增殖和再生潜力的标志物,这一发现对脑卒中患者的组织恢复意义重大[10]。除哺乳动物外,在秀丽隐杆线虫中同样发现了NOP2的独特作用,敲低NOP2会影响秀丽隐杆线虫的体型和生殖能力[11]。总的来说,NOP2拥有对细胞周期的调控作用和促细胞增殖作用,并涉及多个物种的生长发育。正常情况下它是胚胎、血液、神经系统生长和成熟的重要促进因子,但当机体动态平衡被打破时,NOP2可能过度表达并引发细胞异常增殖,而恶性肿瘤的形成往往依赖不可控的增殖能力。

2 NOP2在肿瘤中的作用

2.1 NOP2与肺癌2020年全球共有220多万新发肺癌病例和近180万名肺癌致死患者,肺癌是发病率排名第二和致死率排名第一的恶性肿瘤。在早期的研究中,SATO发现NOP2蛋白在肺腺癌和正常肺组织中存在显著表达差异,在肺腺癌组织的免疫组化实验中,NOP2抗体呈现核阳性染色,并在癌细胞的核仁中清晰可见。虽然NOP2蛋白表达情况与患者的临床病理参数无明显相关性,但生存分析显示:该蛋白高表达的患者通常伴有早期的复发以及更短的生存期。多变量分析表明:它是肺腺癌患者强大且独立的预后因素,对于I期肺腺癌患者来说这种预后作用尤为明显[12]。而在体外培养的肺癌细胞系中(包括肺腺癌和肺鳞癌),癌细胞的S期分数与NOP2 mRNA和蛋白的相对表达量成正比,细胞的倍增时间则与它的蛋白表达量成反比。这些实验结果说明,NOP2与肺癌细胞的增殖活性息息相关,它的过度表达可能是肺癌细胞获得强大扩增能力的机制之一[13]。NOP2是肺癌细胞的增殖标志物,在病理诊断中,其抗体或许能够帮助病理医师分析肿瘤恶性进展能力和判断早期肺腺癌预后,略显遗憾的是,当前的研究暂未阐明NOP2影响肺癌的机制,相关成果尚处在功能表型层面。综上,NOP2不仅是肺癌细胞和肺癌组织良好的增殖标记物,同时也是肺腺癌有效的预后标志物,它与肺癌的关系还有更多有价值的内容值得进一步挖掘。

2.2 NOP2与前列腺癌前列腺癌是常见的男性恶性肿瘤,在全球男性肿瘤发病率中排名第二,仅次于肺癌。前文提及B23和NOP2可以结合穿梭于核仁及胞质,但二者在前列腺癌中所起的作用似乎是不同的。抗B23抗体是核仁的一般标志物,无论何种细胞的核仁均能表达B23,但在正常前列腺细胞中NOP2蛋白丰度较低,在癌细胞中则显著表达。并且NOP2与核仁“过度活跃”相关,随着前列腺癌分级提高(格列森评分增加),它的阳性指数也随之升高[8]。另一项研究验证了上述观点,这项研究的结果表明:NOP2与前列腺癌的分级、分期、切缘阳性和转移相关[14]。在A Bantis等人联合Ki-67的预后试验中,NOP2和Ki-67是前列腺癌的独立预后标记[15]。LINC00963是一种与前列腺癌相关的lncRNA,它可以促进细胞增殖,通过激活EMT信号上调NOP2并促进前列腺癌转移。NOP2与LINC00963具有相似的功能表型,敲除NOP2可抑制前列腺癌细胞生长并诱导细胞死亡[16]。在某些前列腺癌的病理诊断中,分级是一个难题,NOP2抗体在不同等级前列腺癌中的染色差异或许能够帮助病理医生进行辅助判断,正确详实的病理分级有利于患者的个体化治疗。现有的研究结果证实:NOP2影响前列腺癌的发生并促进肿瘤的恶性进展,但具体机制仍未阐明,同时靶向阻断LINC00963-NOP2轴是治疗前列腺癌的新思路,当然这些思路需要更多的研究进行验证。

2.3 NOP2与肝癌最新统计资料显示,虽然发病率仅排第七,但肝癌是全球死亡率排名第二的恶性肿瘤,提高肝癌患者生存率是公共医疗亟需解决的难题。许多编码蛋白质的癌胚基因在小鼠和人类胎儿肝脏中高度表达,而在成人肝脏中则沉默,这些癌胚基因编码的蛋白质产物已被用作肝细胞癌复发的临床标志物和肝癌的治疗靶点。其中的lncRNA-hPVT1是一种癌胚RNA,可促进人类细胞增殖和干细胞样特性的表达。有趣的是,在肝癌中NOP2具有稳定lncRNA-hPVT1的功能,敲低NOP2后lncRNA-hPVT1的促肝癌细胞增殖作用会受到影响,因此它是lncRNA-hPVT1重要的稳定因子[17]。阻断lncRNA-hPVT1/NOP2通路会减弱肝癌细胞的活性,寻找调控该通路的方法是将现有理论运用于临床的关键之所在。阐释lncRNA-hPVT1/NOP2通路的作用机制可能为肝癌的治疗带来更多可能,这值得进一步研究。

2.4 NOP2与结直肠癌和胃癌结直肠癌和胃癌是常见的消化道肿瘤,在全球范围内,这两类肿瘤不仅年增300万例,还造成约160万人死亡,对它们的防治任重道远。一项研究发现,NOP2在结直肠肿瘤中过表达,同时它的阳性指数从腺瘤到结直肠癌逐渐攀升(腺瘤中高度异型增生组织的阳性率高于低度异型增生组织),NOP2可作为结直肠肿瘤细胞高增殖潜力的标志,并与结直肠肿瘤的晚期进展相关。此外,在结肠癌组织和细胞系中NOP2表达上调,并促进结肠癌细胞的增殖、迁移和侵袭,其潜在机制可能与TXK酪氨酸激酶有关[18]。在胃癌组织中,NOP2的同样过度表达,并与患者的肿瘤大小、浸润深度、淋巴结转移以及更短的生存时间相关,此外,NOP2在体内和体外均可促进胃癌细胞增殖[19]。胃肠道恶性肿瘤因其高发病率和易转移性给公共卫生带来了沉重的负担,阐明NOP2对胃肠道肿瘤的作用机制有望开发出广谱治疗方案。

2.5 NOP2与乳腺癌乳腺癌绝大多数发生于女性,已然成为全世界最高发的恶性肿瘤,为乳腺癌寻找可能的致病原因和新的治疗方法十分迫切。根据报道,NOP2表达水平影响乳腺癌细胞的增殖能力,与生长缓慢的细胞相比,生长迅速的乳腺癌细胞中NOP2表达水平明显升高,其转录率提升是这些乳腺癌细胞具有高增殖活性的重要原因。在一项化学研究中,萝卜硫素、熊果酸和白桦脂酸三种植物化学物质可以对乳腺癌细胞产生抑制作用,有意思的是,在生长受抑制的细胞中可以检测到NOP2表达下调[20]。现有研究提示高水平NOP2表达是维持乳腺癌高增殖活性的重要因素,当然,NOP2与乳腺癌之间的研究还未深入,进一步的体内和体外试验对探讨NOP2对乳腺癌的作用机制十分必要。

2.6 NOP2与其它肿瘤NOP2可能与肾透明细胞癌的预后有关,在一项生信研究中,研究人员发现它在癌组织中表达上调,这种异常表达与肾透明细胞癌的不良预后有关,同时在该肿瘤中NOP2还与免疫因素有关,可能与肾透明细胞癌的免疫治疗有关[21]。NOP2还在口腔癌表达上调,是预测口腔癌不良结局的有效标志物[22]。NOP2在肿瘤中特殊的作用是不可忽视的,除了上述8种肿瘤外,对其它肿瘤的影响也值得进一步探究。

3 NOP2在非肿瘤疾病中的作用

目前艾滋病仍然是人类无法攻克的难题,它的致病因素人类免疫缺陷病毒1型(Human immunodeficiency virus 1,HIV-1)大流行是全球公共卫生关注的问题。宿主机制在调节HIV-1 持续感染中起重要作用,鉴定与HIV-1复制相关的新型宿主因子及其分子机制的表征不仅可以提高对宿主HIV-1感染的基本认识,而且对于开发新型抗病毒疗法至关重要。有报道显示,NSUN2通过HIV-1RNA基因组的m5C甲基化促进HIV-1病毒蛋白的翻译,从而引起HIV-1病毒蛋白增多,但与NSUN2同一家族来源的NOP2并没有这种作用。相反NOP2可以限制HIV-1复制,其次它还能抑制HIV-1转录,特别是转录的延伸。对HIV-1复制和转录的抑制作用使得NOP2拥有维持病毒潜伏期的能力,当下调NOP2时,HIV-1的潜伏期明显缩短。NOP2含有一个富精氨酸区域,该区域与HIV反式转录激活因子(Tat)以及HIV病毒体蛋白表达调节因子的蛋白区域相似,它可与HIV Tat竞争结合反式激活应答区(TAR) RNA,并导致TAR m5c甲基化,这解释了它对HIV-1病毒表达的抑制作用[23]。总之,NOP2是一种抑制HIV-1表达的新型宿主因子,在抗HIV-1治疗中拥有巨大潜力。骨质疏松症是常见的老年疾病,它带来的高额社会和个人支出成为公共卫生的负担,一项研究指出NOP2是骨质疏松的关键甲基化标记物,是该病的潜在治疗靶点[24]。因此不仅是对肿瘤性疾病,NOP2对艾滋病和骨质疏松等非肿瘤疾病也有特殊作用,阐明它对各类疾病的作用机制,使罹患相关疾病的患者获益。

4 总结与展望

综上所述,NOP2拥有调控细胞增殖的能力,是胚胎、血液和神经组织生长发育的重要调节因子,但当它异常表达时常伴随机体不良事件发生,迄今为止已经在包括肺腺癌、前列腺癌、肝癌、结直肠癌、胃癌、乳腺癌、肾透明细胞癌、口腔癌等多种肿瘤中发现并报道了NOP2的过表达现象(如图1),它是这些肿瘤的促癌因子和较理想的诊断因子。同时NOP2的上调表达与数个肿瘤的恶性进展有关,高表达的NOP2是肿瘤患者的不良预后信号,消除过量NOP2的影响,肿瘤细胞的增殖活性也随之降低。因此除了作为一个高效能的诊断、预后因子,NOP2还可能是一个广谱的抗肿瘤治疗靶点。在一项最新研究中,研究者利用机器语言分析,挖掘出NOP2可能参与调控多种肿瘤的免疫微环境,在肿瘤免疫治疗中拥有较大的潜力[25]。本文综述的研究成果不仅为肿瘤的分子生物学机制提供了新的见解,还为肿瘤治疗带来了新的思路。除了肿瘤疾病,在艾滋病和骨质疏松的治疗中,NOP2也极具潜力。当然,现有理论运用于临床治疗还需要更多的试验,从基础到临床还有很长的路要走。