从核糖体病角度认识癌症机制的研究进展

仵思凡，陈家瑞，焦 哲，乔 蓉，秦鸿雁，王 亮(空军军医大学基础医学院医学遗传与发育生物学教研室，陕西 西安 710032)

核糖体病是指核糖体的合成或功能存在缺陷的疾病。1998年首次报道了先天性角化不良的病理生理学机制是核糖体生物合成障碍[1]。此后关于核糖体病的报道飞速增长，包括DB贫血(Diamond-Blackfan anaemia，DBA)、SD综合征(Shwachman-Diamond syndrome，SDS)、TC综合征(Treacher Collins syndrome，TCS)、5q-综合征、先天性角化不良以及软骨-毛发发育不良-厌生性发育不良(cartilage-hair hypoplasia-anauxetic dysplasia，CHH-AD)等。然而，核糖体合成缺陷与临床表现的联系并不清晰，能否把这些疾病定义为核糖体病还不确定。比如DBA、SDS和TCS都发生了与核糖体生物合成相关基因的突变，这些基因互相关联，因而核糖体生物合成的缺陷是这些疾病的主要机制。然而，X-连锁先天性角化不良(X-linked dyskeratosis congenita，XL-DC)和CHH-AD发生突变的基因不仅具有核糖体生物合成的功能，还兼有其他功能，所以核糖体缺陷只能被认为是这些疾病的主要因素之一。此外，在一些疾病中，仅发现了与核糖体合成相关的单个基因的突变，至于它们是否应该被归类为核糖体病还存在一定程度的不确定性。本文重点讨论的是明确的核糖体生物合成相关基因发生突变的疾病。

除TCS外，核糖体病最大的特征就是遗传性骨髓衰竭综合征(inherited bone marrow failure syndromes，IBMFSs)，值得注意的是IBMFSs患者具有显著增高的癌症倾向。核糖体病与癌症的联系更加让人们认识到，核糖体生物合成相关基因突变可能是癌症发生的驱动因素之一。最新研究表明，癌细胞含有一类特殊的核糖体即癌核糖体，其可促进致癌基因翻译程序、调节细胞功能以及促进代谢重组[2]。核糖体蛋白、核糖体RNA(ribosomal RNA，rRNA)加工和核糖体组装因子的突变导致核糖体病，与恶性肿瘤发展风险增加相关。本文综述核糖体病的病理生理学机制和致癌机制，为更普遍的癌症发生机制提供新的见解。

1 核糖体的生物合成

核糖体的生物合成是一个多步骤的过程，开始于核仁、结束于细胞质，该过程由多个检查点和监视途径严格控制。真核生物的核糖体由4个rRNA和80个核糖体蛋白构成，包括60S大亚基和40S小亚基。其中，60S大亚基由RNA聚合酶Ⅰ产生的5.8S rRNA和28S rRNA、RNA聚合酶Ⅲ产生的5S rRNA以及RNA聚合酶Ⅱ产生的47个蛋白构成；40S小亚基由RNA聚合酶Ⅰ产生的18S rRNA以及RNA聚合酶Ⅱ产生的33个蛋白构成。

核糖体的生物合成开始于RNA聚合酶Ⅰ转录出包含18S rRNA、5.8S rRNA和28S rRNA的47S pre-rRNA。33个核糖体小亚基蛋白(ribosomal protein small subunit，RPS)与18S rRNA结合形成40S小亚基，47个核糖体大亚基蛋白(large subunit ribosomal proteins，RPLs)、5.8S rRNA、28S rRNA和5S rRNA结合成60S大亚基；最后40S小亚基和60S大亚基结合，成为成熟的80S核糖体最终发挥翻译功能。rRNA还需经历广泛的转录后修饰，主要是伪尿酰化和核糖2’-O甲基化(ribose 2’-O methylation，2’-O-Me)，这些修饰由核仁中RNA和蛋白构成的复合体所介导[3]。

因此，成熟核糖体的合成需要三种RNA聚合酶、大约200个加工因子和80个核糖体蛋白的协同进行，RNA聚合酶Ⅰ对47S rRNA的转录被认为是核糖体生物发生的一个限速和关键步骤。在癌症中，信号通路失调、代谢重编程和非编码RNA的异常表达促进了RNA聚合酶Ⅰ的转录活性，导致核糖体生物发生过度激活[4-5]。

2 核糖体病与癌症

2.1 DBA

DBA是一种IBMFSs，典型表现为出生后第一年红细胞发育不全。同时表现出异质性先天畸形，包括颅面、心脏、泌尿生殖系统、四肢和手部畸形。突变基因包括RPS7、RPS10、RPS15A、RPS17、RPS19、RPS24、RPS26、RPS27、RPS28、RPS29、RPL5、RPL11、RPL15、RPL18、RPL26、RPL27、RPL31、RPL35、RPL35A以及TSR2之中的任何一个，这些基因和RPS、RPLs的合成相关[6]。核糖体蛋白的选择性功能缺陷会影响组成对应的核糖体亚基，最终导致细胞内功能成熟的80S核糖体数量减少[7]。DBA易发展为骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndrome，MDS)、急性髓系白血病(acute myeloid leukaemia，AML)和实体瘤，如骨肉瘤和结肠癌。DBA的癌变发生率为3%～5%[8-9]。

2.2 SDS

SDS也是一种IBMFSs，特征表现为中性粒细胞减少或多系细胞减少、外分泌胰腺功能障碍和干骺端软骨发育不良。近90%患者发生SBDS基因突变[10]。此外，EFL1和DNAJC21也与SDS相关，它们和SBDS共同参与60S核糖体亚基的成熟[11]。SDS易发展为MDS和AML，在20岁和30岁时的癌变风险分别为19%和36%[12]。

2.3 XL-DC

XL-DC也是一种IBMFSs，临床症状包括异常皮肤色素沉着，指甲异常和口腔黏膜白斑。XL-DC通常被归为核糖体病，因为受影响的DKC1基因编码角化不良蛋白，这是一个与核糖体生物合成和功能相关的假尿苷酸合酶。此外，编码端粒酶的基因TERC、TERT和其他端粒维持相关基因TINF2、POT1、ACD、RTEL1、NAF1、NOP10、NHP2、WRAP53、CTC1和PARN也是XL-DC的主要突变位点[13]。值得注意的是，核糖体合成障碍对XL-DC的临床表现只作为次要因素，而非主要因素。

XL-DC易发展成MDS、AML和头颈部肿瘤。未经骨髓移植的XL-DC患者的癌症发生率接近10%，略高于DBA和SDS[8]。

2.4 CHH-AD

CHH-AD表现为毛发发育不良、骨髓衰竭和免疫缺陷。RMRP的等位突变造成CHH-AD的发生。RMRP编码核糖核酸酶MRP复合物的非编码RNA亚单位，后者通过促进ITS1的裂解事件参与早期前rRNA的成熟，进而产生成熟18S rRNA[14]。与XL-DC一样，CHH-AD受影响的基因具有多种功能，核糖体生物合成只是其紊乱的功能之一。了解这些受不同程度影响的核糖体功能如何导致临床表现和癌变倾向是非常困难的。

CHH-AD的癌症发病率为11%，包括血液系统恶性肿瘤和实体瘤[15]。

3 核糖体病的机制

3.1 核糖体病的病理生理学机制

3.1.1 核仁应激和p53激活 核仁应激这一术语被用来描述从核糖体合成失败到p53激活以及随后的细胞周期停滞或凋亡的信号传递途径。研究表明，p53激活可能在核糖体病的病理生理学中发挥重要作用。

E3泛素连接酶MDM2在蛋白酶体中靶向破坏p53，维持非应激细胞中p53处于较低水平，是p53水平的关键调节因子。核糖体蛋白RPL5、RPL11和5S rRNA形成的5S-RNP复合物可能是核仁应激状态下p53激活的主要因素。研究表明，p53对RPLs的诱导作用最强，这些蛋白也被证明是核仁完整性所必需的，这种诱导依靠RPL5和RPL11[16]。核仁应激模型显示，由于核糖体组装障碍，导致5S-RNP复合物积累，进而激活p53，最终导致细胞周期阻滞和细胞凋亡。

考虑到RPL5和RPL11已被证明在DBA患者中具有致病性突变，这让5S-RNP的病理生理学作用变得复杂。RPL5或RPL11的失功能性突变依旧能够干扰亚复杂信号和p53激活，表明一定有其他的机制导致BDA患者的临床表型。已有报道显示，RPL5和RPL11的突变并没有通过p53的激活阻滞细胞周期，而是通过限制翻译来减少细胞周期进程。

3.1.2 翻译改变 在DBA中，任何一种核糖体亚基的许多核糖体蛋白都受到了影响，这表明受影响的是普遍性翻译能力，而非特定核糖体结构。事实上，核糖体功能总水平的降低可以选择性地影响特定mRNA群的翻译，潜在地影响细胞的命运[7，17]。比如RPS19、RPL5和RPL11水平的降低选择性地减少了GATA1的翻译，这与DBA的病理生理有关[18]。GATA1有一个高度结构化的5′ 端，可以干扰正常翻译的起始，该结构也是它对功能性核糖体水平降低如此敏感的原因。DBA患者红细胞特异相关翻译缺陷的原因之一就是GATA1的缺陷，此外还包括HSP70(也称为HSPBP1)、BAG1和/或CSDE1和珠蛋白多肽的缺陷[18]。

除了核糖体数量减少引起的普遍性翻译能力降低外，核糖体特定功能的改变同样是核糖体病的病理生理学机制之一。以往研究表明，DKC1突变会引起rRNA中假尿苷水平降低，进而干扰含有内部核糖体进入位点(internal ribosome entry site，IRES)的mRNA翻译以及核糖体翻译的准确性。其中一些mRNA编码关键的细胞周期调控因子，这些调控因子的失调能够促进XL-DC癌变和表型改变。

3.2 核糖体病的癌变机制

核糖体病核仁应激和p53激活、翻译改变的病理生理学机制也可能是癌症发病率增加的原因。此外，癌症发病率增加可能涉及这两种机制的综合。

异常细胞的生长和增殖依赖于增加的蛋白质合成和过度活跃的翻译，这需要过度活跃的核糖体生物合成。

3.2.1 选择性丢失p53功能 p53激活影响不同细胞谱系中的促凋亡细胞，这是核糖体病与癌症最明显的联系。p53激活与DBA38、SDS73、TCS74和XL-DC75的病理生理有关。研究表明p53失活能够解救各种疾病模型，可见p53激活在这些疾病中起着最重要、最明显的作用。p53功能选择性丧失是核糖体病患者体内受损细胞的一种生存手段，可以使患者血液病得到缓解或成为不受影响的携带者，但同时p53的抑癌基因功能也丢失了，这导致癌症风险的增加[19]。关于SDS患者造血干细胞的研究显示，克隆性造血与p53高突变密切相关[20]。5q-综合征患者进展为AML的风险通常较低，预后良好，但约20%的患者发生TP53突变、进展为AML的风险显著增高[11]。上述结果表明，p53突变虽然可以作为受损细胞的一种生存方式，但同时也是癌变的机制。

3.2.2 翻译紊乱 核糖体合成或功能缺陷可能会错误翻译致癌基因或肿瘤抑制因子，进而促进癌症，最终导致癌症发生。这些影响可以是定性的，比如XL-DC患者核糖体结构和功能的改变干扰了包含IRES的mRNA翻译，其中一些正是抑癌基因；也可以是定量的，比如前文提到的核糖体数量减少导致普遍性翻译水平下降，进而改变了mRNA相互竞争翻译的微环境，选择性地影响特定mRNA的翻译最终促进癌变发生。

3.2.3 合成缺陷 核仁应激和核糖体翻译的定量或定性缺陷引起的与翻译相关的信号机制可能是核糖体合成缺陷导致癌症的机制。核糖体数量减少和p53增加能够产生低增生细胞类群并降低细胞的竞争优势，这是受损细胞克服生长障碍而存活的一种生存手段。但受损细胞的存活以及其他事件可能涉及致癌基因的激活和失去对其他肿瘤抑制因子的抑制，最终这些受损细胞转变为肿瘤发生相关的高增殖表型并增加核糖体的生物合成。这些事件可能由翻译机制的特定变化引起，包括翻译保真度降低、随后错误暂时影响所有蛋白质组功能、核糖体数量的普遍减少和细胞内mRNA翻译环境改变。上述结果在一定程度上解释了Dameshek’s riddle，即具有低增殖表型的疾病如何转变为癌症和高增殖表型[2]。根据上述模型，蛋白质合成或mRNA选择性翻译缺陷会导致细胞逐渐恶化，造成细胞内环境的不稳定，进而为肿瘤的发生创造有利条件。

3.2.4 异质性核糖体 研究表明核糖体具有异质性组成，而非一成不变的保守性翻译机器，这种异质性可以调节翻译和蛋白质合成速率。异质性组成源于组成核糖体任何成分的变异，包括rRNA修饰、rRNA变异、核糖体蛋白质的化学计量学和副同源、翻译后修饰和核糖体相关蛋白质。这种组成的变化有助于产生特殊功能核糖体，或者在癌症的情况下产生“癌核糖体”[21]。METGE等[22]发现，当癌细胞暴露于应激环境中时，例如缺氧，rRNA会获得不同的甲基化模式，并产生一个特殊的核糖体亚群，能够执行IRES介导的翻译。研究发现，rRNA 2’-O-Me在乳腺癌患者的肿瘤样本、肿瘤分期和亚型之间存在显著差异[23]，比如负责18S rRNA中尿苷116残基2’-O-Me的SNORD42A在AML患者中高表达，敲除SNORD42A会降低细胞生长和整体蛋白质合成[24]。

3.2.5 癌症转移中核糖体生物合成的变化 癌细胞的远处转移需要一系列精确编排的事件，已经被充分研究的事件之一是上皮细胞-间充质转化(epithelial-to-mesenchymal transition，EMT)。EMT是一个重要的进化保守程序，协调了形态和器官发生的重要过程，并在癌症发生过程中得到进一步总结[25-27]。EMT、核糖体生物合成和rRNA转录调控之间的联系早有报道。Wnt5a通过将Disheveled 1定位到rDNA来抑制其转录，与Wnt5a在乳腺癌中已知的减少乳腺癌的迁移和侵袭功能相一致。研究表明，EMT诱导导致rRNA合成增强，与间充质表型的经典特征一致；抑制rRNA合成阻碍了EMT过程并抑制了乳腺癌转移[28]。另一方面，在MCF7细胞中，加入外源提供的核糖体可诱导EMT，伴以ERα抑制为标志的亚型转分化[29]。最近发现了EMT期间La相关蛋白6的上调能够驱动转移癌细胞中核糖体蛋白的定位，具体表现为核糖体蛋白重新定位到细胞前突从而增强核糖体生物合成，并允许特定mRNA亚群优先翻译，最终加剧转移潜力[30]。这项工作进一步支持了核糖体相关蛋白的重要性，并强调了EMT对核糖体蛋白含量变化的影响，以及将癌细胞转变为高度迁移和侵袭性状态的重要作用。此外，EMT的表观遗传调控也是核糖体合成的重要调控点，最新研究显示rDNA的表观遗传调节与癌细胞迁移密切相关。EZH2是多梳抑制复合体2的酶催化亚基，是影响肿瘤进展的各个方面的主要表观遗传因子，调控负责rDNA位点甲基化的长链非编码RNA而抑制核糖体生物合成[31]。这表明rDNA表观遗传调控与EMT之间的相互作用可能引发癌细胞转移。这些研究强调了表观遗传修饰和核糖体相关蛋白是癌细胞操纵细胞行为，比如EMT等，进而促进癌症转移的物质基础，针对EMT期间诱导核糖体生物合成的治疗可能是一部分患者的可行方法。显然，还需要更细致的研究才能解开EMT与核糖体生物合成之间深层关系。

3.2.6 TSC难题 TCS是惟一一种已知的特征明确的核糖体病，但与其他核糖体病不同的是，它不表现出骨髓衰竭或易感癌症的现象。TCS和DBA的发病机制之间有明显的相似之处，但TCS并没有癌症易感性，这提示DBA和TCS之间还存在其他不同的发病机制。与DBA一样，p53激活的作用也在TCS小鼠模型中得到了证实。在细胞系统中，大量研究已经证明了5S-RNP在RNA聚合酶Ⅰ的转录抑制引起的核仁应激信号传导中所起的作用[32]。RNA聚合酶Ⅰ活性的降低抑制了rRNA的产生，造成未形成核糖体的5S-RNP积累，使其能够抑制MDM2，最终导致p53激活。考虑到TCS、DBA和5q-综合征的病理生理学机制之间的相似之处，特别是关于p53活性丧失是潜在的细胞生存手段，TCS患者不具有癌症易感性这一现象还需要深入的研究去揭示其潜在的分子机制。虽然TCS、DBA和5q-综合征都影响核糖体合成，但TCS是通过减少核糖体组装开始时新生的47S-pre-rRNA转录来干扰核糖体合成，而DBA和5q-综合征是在核糖体组装开始后，通过干扰前核糖体成熟干扰正常核糖体生物合成过程。

4 靶向核糖体治疗

抑制RNA聚合酶Ⅰ转录能够触发核仁应激，进而导致核糖体蛋白从核仁转位到核质，其中RPL5和RPL11等蛋白与MDM2结合，触发其解离，最终刺激p53。因此，抑制RNA聚合酶Ⅰ用于癌症治疗的概念吸引了研究人员设计靶向RNA聚合酶Ⅰ的特定抑制剂，并期望正常细胞能够幸免，因为它们对RNA聚合酶Ⅰ转录活性的依赖程度远低于癌细胞。

CX-5461是第一个选择性口服RNA聚合酶Ⅰ转录抑制剂[33-34]，通过扰乱SL1-rDNA复合物，降低上游结合转录因子的稳定性，从而降低RNA聚合酶Ⅰ募集到rDNA启动子的数量[34]。在黑色素瘤和胰腺癌的临床前模型中，CX-5461显示出显著的抗肿瘤活性，而且无论p53突变状态，都能在癌细胞中诱导出强大细胞毒性。CX-5461在AML和多发性骨髓瘤中也表现出临床疗效[35-36]。

BMH-21是另一种有效的小分子RNA聚合酶Ⅰ转录抑制剂，通过筛选p53通路激活被发现[37]。BMH-21通过降解RPA194而抑制RNA聚合酶Ⅰ转录，进而导致p53激活[38]。在各种临床前研究中，BMH21对不同的血液病和实体肿瘤显示出有希望的治疗效果[39]。

5 结束语

核糖体通过翻译过程与整个蛋白质组密切联系，是绝大多数细胞不可或缺的核心细胞器。但也正因为核糖体太过常见，以至于长期以来的研究忽视了其在癌症发生机制中所起的重要作用。大量研究表明，核糖体合成的增长是肿瘤组织快速生长的一个关键因素。比如，明确的致癌基因MYC就是核糖体合成的关键调节因子。不过，核糖体生成和功能变化究竟是肿瘤发生的被动的下游效应子，还是在肿瘤发生中更主动的上游驱动因素之一？这些问题亟待回答。考虑到绝大多数核糖体病都有易感癌症的现象，核糖体合成的相关因素确实可能对肿瘤发生起驱动作用。在散发癌症中观察到存在核糖体蛋白基因突变的现象使这一观点得到越来越多的支持。

核糖体蛋白的异常在多种核糖体病和癌症中都有记录。这提示监测核糖体蛋白在预测肿瘤细胞的放、化疗敏感性方面具有潜力。研究核糖体蛋白基因筛查在初期癌症患者治疗中是有前景的。此外，肿瘤细胞群的多样性也增加了核糖体的异质性和复杂性。因此，定义一个独特的事件来靶向肿瘤中所有细胞的核糖体生物合成是具有挑战性的。令人鼓舞的是，已有使用选择性RNA聚合酶Ⅰ抑制剂CX-5461治疗血液系统恶性肿瘤的临床试验，并系统性地测试针对恶性肿瘤疾病模型的治疗效果[35-36，40]。核糖体病的病理生理学机制为癌症发生机制的研究提供了一个长期被忽略的方向，针对核糖体病发病机制的靶向治疗是极具前景的癌症治疗策略。