孫嚴(yán)金,薛亞男,仲 濤,王林杰,李 利,張紅平,占思遠(yuǎn)
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 畜禽遺傳資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用四川省重點實驗室,成都 611130)
肌肉組織是動物機(jī)體的重要組成部分,主要包括骨骼肌、心肌和平滑肌,其中骨骼肌約占成年動物體重的40%~60%。肌肉的生長發(fā)育是一個極其復(fù)雜和精密的過程,受到許多細(xì)胞因子和轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)共同作用,其中包括生肌調(diào)節(jié)因子(myogenic regulatory factors, MRFs)家族、肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2(myocyte enhancer factor 2,MEF2)家族和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子Pax(paired box)家族。近些年的研究表明,非編碼RNA,包括長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA, lncRNA)、微小RNA(microRNA, miRNA)和環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA)等,參與了肌肉生成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。RNA結(jié)合蛋白(RNA binding proteins,RBPs)作為細(xì)胞生命活動中的重要成員,通過與編碼和非編碼RNA互作,也參與了肌肉生長發(fā)育的調(diào)控過程。
RNA結(jié)合蛋白是細(xì)胞中一類重要的蛋白質(zhì),它們通過識別特殊的RNA結(jié)合域與RNA互作,廣泛參與到RNA剪切、轉(zhuǎn)運(yùn)、序列編輯、胞內(nèi)定位及翻譯控制等多個轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過程中,在基因調(diào)控過程中扮演著關(guān)鍵作用。RNA結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)域包括K同源基序(K homology, KH)、RNA識別基序(RNA recognition motif, RRM)和鋅指結(jié)構(gòu)域(zinc finger domain, ZNF)等。研究表明,RNA結(jié)合蛋白通過特異性結(jié)合靶mRNA分子3′非翻譯區(qū)(UTRs)的順式作用元件,調(diào)控靶基因的表達(dá)水平,進(jìn)而參與組織發(fā)育、細(xì)胞周期及疾病發(fā)生等生物學(xué)過程。作為RNA結(jié)合蛋白家族的重要成員,HuR(human antigen R)蛋白在機(jī)體內(nèi)廣泛表達(dá),通過調(diào)控靶基因mRNA的穩(wěn)定性或翻譯效率影響靶基因的表達(dá)水平,從而參與調(diào)控細(xì)胞的生命活動。本文結(jié)合近年來RNA結(jié)合蛋白HuR的相關(guān)研究,主要綜述了HuR的生物學(xué)特性、主要功能與作用方式及其在肌肉生長發(fā)育和相關(guān)疾病中的調(diào)控作用,同時對RNA結(jié)合蛋白HuR的今后研究方向進(jìn)行了展望,以期讓相關(guān)科研人員更全面地了解HuR蛋白的研究進(jìn)展,為進(jìn)一步研究其在肌肉生長發(fā)育調(diào)控中的作用提供有力支撐。
RNA結(jié)合蛋白HuR是胚胎致死異常視覺(embryonic lethal abnormal vision, ELAV)基因家族成員之一,又被稱為類胚胎致死性異常視覺基因1(ELAV1)。ELAV家族包括HuB、HuC、HuD和HuR 4個成員。HuB、HuC和HuD主要在神經(jīng)組織中表達(dá),而HuR則是在機(jī)體各組織中普遍表達(dá)。HuR蛋白編碼基因在人類上位于第19號染色體,小鼠上位于第8號染色體,山羊上位于第7號染色體,編碼的蛋白均由326個氨基酸組成。HuR蛋白含有3個經(jīng)典的RNA識別結(jié)構(gòu)域,其中RRM1和RRM2結(jié)構(gòu)域可以特異性的結(jié)合AU富含元件(AU-rich element, ARE)。RRM3對于穩(wěn)定RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物以及介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用非常重要。RRM2和RRM3之間還含有一個介導(dǎo)HuR進(jìn)行核質(zhì)穿梭的鉸鏈區(qū)(HuR nuclear shuttle, HNS),HuR的HNS區(qū)域含有核定位信號(nuclear localization sequence, NLS)和核輸出信號(nuclear export signal, NES),HuR主要存在于細(xì)胞核中,當(dāng)細(xì)胞受到刺激時,HuR的鉸鏈區(qū)會發(fā)生不同的蛋白修飾,從而促進(jìn)HuR從細(xì)胞核穿梭到細(xì)胞質(zhì)中。
大量研究表明,HuR作為基因轉(zhuǎn)錄后水平的重要調(diào)控因子,通過與靶mRNA分子3′末端非翻譯區(qū)的ARE元件(AU rich element)結(jié)合來發(fā)揮其生物學(xué)功能,通常是通過提高靶mRNA的穩(wěn)定性或翻譯效率而上調(diào)靶基因在細(xì)胞中的表達(dá)水平。此外有研究表明,HuR蛋白也可以與非編碼RNA(如miRNA、lncRNA)或其它RNA結(jié)合蛋白相互作用,進(jìn)而參與調(diào)控RNA剪接加工、多聚腺苷酸化形成、細(xì)胞凋亡等生命活動,以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展等過程(圖1)。
代表RNA結(jié)合蛋白HuR
研究發(fā)現(xiàn),HuR通過調(diào)控剪接因子對mRNA前體內(nèi)含子或外顯子上剪接位點的識別,進(jìn)而調(diào)節(jié)前體mRNA的剪接模式。研究人員發(fā)現(xiàn),TIA-1(T cell intracellular antigen 1)/TIAR(TIA1-related)蛋白與位于降鈣素(calcitonin gene-related peptide, CGPR)外顯子下游富含U的序列相互作用能夠促進(jìn)降鈣素非特異性形成。HuR能夠阻斷拼接因子TIA-1或TIAR的活性,并與其競爭性地結(jié)合到內(nèi)含子的U富集區(qū)域,促使CGRP mRNA前體非神經(jīng)元外顯子4發(fā)生跳躍,致使正常應(yīng)該產(chǎn)生的肽激素被神經(jīng)傳遞素所代替。HuR通過改變SIRT1外顯子8周圍組蛋白修飾模式,使RNA聚合酶Ⅱ(RNA polymeraseⅡ, RNAPⅡ)的延伸速率加快,促進(jìn)SIRT1外顯子8的切除,進(jìn)而增加缺失SIRT1外顯子8的1 mRNA的表達(dá),而TIA-1/TIAL1通過改變外顯子周圍組蛋白修飾模式,使RNAPⅡ的延伸速率減慢,促進(jìn)SIRT1外顯子8的保留,使缺失SIRT1外顯子8的1 mRNA的表達(dá)降低。此外有研究表明,HuR蛋白還能夠發(fā)揮剪接增強(qiáng)子作用,結(jié)合HuD外顯子6下游的兩個AU元件,促進(jìn)mRNA外顯子6插入。
研究證明,HuR能夠選擇性結(jié)合到靶mRNA的U富集區(qū),影響靶mRNA的poly(A)形成,進(jìn)而影響靶mRNA多聚腺苷酸化的修飾過程。多聚腺苷酸化需要兩步反應(yīng),包括裂解和新生成的3′端上加poly(A)尾巴。這兩步需要切割刺激因子(cleavage stimulation factor, CstF)和多聚腺苷酸特異性因子(cleavage and polyadenylation specificity factor, CPSF)的參與,而HuR蛋白能夠與多聚腺苷酸化這兩個特異性因子(CstF、CPSF)競爭性結(jié)合富含U的序列,從而阻斷了mRNA的多聚腺苷酸化形成。
研究發(fā)現(xiàn),在人的心肌細(xì)胞中,HuR蛋白能夠識別并結(jié)合2C基因的ARE序列,增加其mRNA穩(wěn)定性,從而促進(jìn)了心臟鈉通道基因(cardiac sodium channel gene,5A)的轉(zhuǎn)錄。另外,HuR還可以通過與miRNA、lncRNA或circRNA相互作用調(diào)控靶mRNA的穩(wěn)定性。環(huán)狀RNA circE2F2(circRNA transcription factor 2, circE2F2)與HuR蛋白結(jié)合能夠促進(jìn)HuR結(jié)合在E2F2的3′UTR,進(jìn)而增加E2F2的mRNA穩(wěn)定性。研究表明,circDLC1可以與MMP1競爭結(jié)合HuR,通過降低MMP1的穩(wěn)定性,進(jìn)而抑制MMP1的表達(dá),最終抑制肝癌細(xì)胞的增殖和遷移。食管鱗狀細(xì)胞癌相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),HuR通過與miR-4319競爭性結(jié)合SEMA4D,增強(qiáng)SEMA4D的穩(wěn)定性,從而調(diào)節(jié)食管癌細(xì)胞的增殖、凋亡和遷移。當(dāng)HOTAIR泛素化底物的水平較低時,HuR會優(yōu)先與HOTAIR結(jié)合,并通過募集let-7-Ago2(argonaute RISC catalytic component 2)復(fù)合物來降低HOTAIR的穩(wěn)定性。此外,HuR自身的蛋白修飾也可以影響靶mRNA的穩(wěn)定性。HuR蛋白的磷酸化能夠影響其對應(yīng)激蛋白1(stress-response protein)mRNA穩(wěn)定性的調(diào)節(jié),細(xì)胞周期檢查點激酶(checkpoint kinase 2, Chk2)對HuR進(jìn)行磷酸化的修飾,抑制了HuR與1 mRNA的結(jié)合。在人類肝細(xì)胞癌的研究中發(fā)現(xiàn),ADORA2A-AS1與肌動蛋白束蛋白(fascin actin-bundling protein 1, FSCN1)轉(zhuǎn)錄物競爭性結(jié)合HuR,通過影響FSCN1的穩(wěn)定性來降低FSCN1的表達(dá),從而阻斷了AKT通路的激活,最終抑制腫瘤的發(fā)生。此外有研究表明,LINC01119能夠與HuR相互作用,形成LINC01119-HuR復(fù)合物,進(jìn)而與腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,)mRNA結(jié)合,增強(qiáng)其穩(wěn)定性,提高BDNF在轉(zhuǎn)錄和蛋白水平的表達(dá),促進(jìn)神經(jīng)性疼痛(neuropathic pain, NP)的發(fā)生。研究人員發(fā)現(xiàn),LINC00668通過招募HuR增強(qiáng)蛋白激酶N2(protein kinase n2,PKN2)的穩(wěn)定性,從而促進(jìn)胃癌的轉(zhuǎn)移。
有研究表明,HuR通過結(jié)合靶mRNA的3′UTR富含AU的ARE區(qū),調(diào)節(jié)靶mRNA的翻譯效率,進(jìn)而參與細(xì)胞生命活動。在人類小腸上皮細(xì)胞中,HuR可以結(jié)合微囊蛋白1(caveolin-1, Cav-1)的3′UTR區(qū)調(diào)節(jié)Cav-1 mRNA的翻譯,從而促進(jìn)早期小腸上皮的恢復(fù)。另外研究發(fā)現(xiàn),HuR也可以與靶基因的5′UTR結(jié)合來調(diào)控翻譯。HuR可特異性地結(jié)合到細(xì)胞周期素依賴性激酶抑制因子p27mRNA的5′UTR序列中的內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(internal ribosome entry site, IRES),抑制p27的翻譯。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),真核細(xì)胞翻譯起始因子(eukaryotic translation initiation factor 3, EIF3)與HuR相互作用結(jié)合在1 mRNA的3′UTR上,正向調(diào)節(jié)1 mRNA的翻譯,從而調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程。此外有研究表明,HuR可以招募miRNA let-7(RNA-induced silencing complex, RISC)結(jié)合在-mRNA的3′UTR,進(jìn)而抑制-mRNA下調(diào)。
研究發(fā)現(xiàn),HuR還可以與非編碼RNA互作,調(diào)控靶mRNA的翻譯。小鼠上研究發(fā)現(xiàn),過表達(dá)的miR-195能夠與HuR競爭性結(jié)合雙皮質(zhì)素樣激酶1(double cortin-like kinase 1, DCLK1)的3′UTR并抑制DCLK1的翻譯,進(jìn)而破壞腸絨毛細(xì)胞的功能。HuR也能與程序性細(xì)胞死亡因子4(programmed cell death 4, PDCD4)的3′UTR相互作用,阻止miR-21介導(dǎo)的PDCD4翻譯抑制。Abdelmohsen等研究發(fā)現(xiàn),環(huán)狀多聚腺苷酸結(jié)合蛋白核1(circle poly(A)binding protein nuclear 1, PABPN1)能夠與HuR蛋白結(jié)合,并抑制HuR蛋白與1基因mRNA的結(jié)合能力,從而抑制其翻譯。在肺癌研究中發(fā)現(xiàn),circBACH1通過促進(jìn)HuR的核質(zhì)易位,進(jìn)而抑制p27的翻譯,促進(jìn)肝癌細(xì)胞增殖。此外,在人類癌癥細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn),circAGO2能夠與HuR蛋白相互作用,促進(jìn)其在促癌相關(guān)靶基因3′UTR的富集,從而減少HuR與AGO2的結(jié)合,抑制AGO2/miRNA介導(dǎo)的腫瘤進(jìn)展相關(guān)的基因沉默。在小鼠研究中發(fā)現(xiàn),CircPABPN1競爭性結(jié)合HuR,阻斷了其與ATG16L1的結(jié)合,抑制ATG16L翻譯,從而調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞自噬。
近些年來的研究表明,RNA結(jié)合蛋白HuR能夠與編碼或非編碼RNA相互作用參與肌肉生長發(fā)育以及肌肉疾病的發(fā)生,其中研究較為廣泛的作用機(jī)制是HuR通過調(diào)節(jié)靶基因mRNA穩(wěn)定性參與肌肉生長發(fā)育的調(diào)控(表1)。在分化的肌肉細(xì)胞中,RNA結(jié)合蛋白HuR能夠識別結(jié)合肌源性調(diào)節(jié)因子(p21、MyoD、MyoG和MyHC)的3′UTR的ARE序列,增加其mRNA穩(wěn)定水平,進(jìn)而促進(jìn)肌肉分化。另外,研究人員還發(fā)現(xiàn),HuR蛋白可以結(jié)合并穩(wěn)定成肌細(xì)胞增殖的關(guān)鍵細(xì)胞周期控制因子CCND1,而Pitx2(paired like homeodomain 2)介導(dǎo)了HuR和CCND1之間的相互結(jié)合作用,在肌肉分化過程中,Pitx2被磷酸化,復(fù)合體Pitx2/HuR/CCND1解離,導(dǎo)致CCND1不穩(wěn)定,引起細(xì)胞周期停滯,最終促進(jìn)肌肉分化。此外有研究表明,在未分化的肌肉細(xì)胞中,HuR位于細(xì)胞核中,當(dāng)肌肉細(xì)胞分化開始后,細(xì)胞質(zhì)中的HuR增加,當(dāng)細(xì)胞分化結(jié)束后,HuR重新回到細(xì)胞核,HuR在細(xì)胞核質(zhì)的表達(dá)量的變化與肌源性調(diào)節(jié)因子的核質(zhì)表達(dá)量相一致,表明HuR的核質(zhì)穿梭與肌生成的調(diào)控密切相關(guān)。在成肌細(xì)胞融合過程中,半胱天冬酶發(fā)揮作用,使10%~15%的HuR被裂解為HuR-CP1(HuR-cleavage product 1, 24 ku)和HuR-CP2(HuR-cleavage product 2, 8 ku)兩個片段。在小鼠C2C12成肌細(xì)胞分化過程中,HuR-CP1表達(dá)增加,并與HuR導(dǎo)入因子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-2(HuR-import factor transportin-2,TRN2)結(jié)合,阻止TRN2介導(dǎo)完整的HuR分子進(jìn)入細(xì)胞核,從而增加細(xì)胞質(zhì)中HuR表達(dá)量,通過調(diào)節(jié)成肌基因mRNA的穩(wěn)定性來促進(jìn)肌肉生成。
表1 RNA結(jié)合蛋白調(diào)控肌肉生長發(fā)育的靶基因及作用方式
Lv等在小鼠、豬和人中鑒定了一個新的促進(jìn)肌肉生長的lncRNA——lncMGPF(lncRNA muscle growth promoting factor),該lncRNA主要通過兩方面調(diào)控肌生成,一是作為miR-135a-5p分子海綿,增加肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2C(MEF2C)表達(dá);二是通過調(diào)控HuR蛋白裂解促進(jìn)HuR由細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的遷移,增強(qiáng)HuR介導(dǎo)的肌源性調(diào)節(jié)基因、等mRNA的穩(wěn)定性,進(jìn)而提高肌細(xì)胞分化能力。有研究還發(fā)現(xiàn),lncRNA-OIP5-AS1能夠結(jié)合肌細(xì)胞增強(qiáng)因子MEF2C的3′UTR區(qū)域,增強(qiáng)MEF2C的穩(wěn)定性,從而促進(jìn)MEF2C的表達(dá),其作用方式是,lncRNA-OIP5-AS1作為一個“分子支架”,招募RNA結(jié)合蛋白HuR結(jié)合到MEF2C的3′UTR,促進(jìn)MEF2C的表達(dá),從而促進(jìn)成肌分化過程。此外,有研究表明HuR還可通過與其它RNA結(jié)合蛋白相互作用參與調(diào)控肌肉生長發(fā)育。在肌肉發(fā)生早期,HuR和KSRP(KH-type splicing regulatory protein)以復(fù)合體的形式被募集到細(xì)胞周期啟動子核磷蛋白(nucleophosmin,)mRNA的3′UTR區(qū)域,而HuR/KSRP復(fù)合體可以招募兩種核糖核酸酶,多聚腺苷酸特異性核糖核酸酶(poly(A)specific ribonuclease, PARN)和EXOSC5(exosome component 5),降低mRNA的穩(wěn)定性,進(jìn)而促進(jìn)肌肉纖維的形成。Legnini等研究發(fā)現(xiàn),Linc-MD1作為miR-133b的宿主轉(zhuǎn)錄本,其在肌肉分化早期階段表達(dá)。一方面,Linc-MD1能夠與HuR蛋白結(jié)合并抑制Drosha酶作用,進(jìn)而抑制miR-133合成來促進(jìn)Linc-MD1的積累。另一方面,Linc-MD1又能作為miR-133的分子海綿,正向調(diào)控HuR蛋白的表達(dá)。此外,HuR蛋白可以與募集的miRNA協(xié)同來加強(qiáng)Linc-MD1的分子海綿活性,HuR和Linc-MD1之間形成的正向調(diào)控回路最終促進(jìn)了肌肉的分化。
RNA結(jié)合蛋白HuR除了調(diào)節(jié)mRNA的穩(wěn)定性,還可以通過解除miRNA介導(dǎo)的靶基因翻譯抑制參與調(diào)控肌生成。研究發(fā)現(xiàn),miR-1192可以結(jié)合到高遷移率族蛋白1(high mobility group box 1,1)mRNA的3′UTR,抑制HMGB1的翻譯進(jìn)而阻止肌生成過程,而HuR蛋白可以靶向結(jié)合HMGB1 3′UTR的miRNA結(jié)合位點鄰近區(qū)域,阻止AGO2/miR-1192復(fù)合物的形成,從而解除miR-1192介導(dǎo)的翻譯抑制,促進(jìn)了肌生成。研究表明,在癌癥動物模型中,骨骼肌組織中STAT3(signal transducer and activator of transcription 3)的異常激活是導(dǎo)致肌肉萎縮的原因之一,而在炎癥誘導(dǎo)的肌肉萎縮過程中,研究人員發(fā)現(xiàn),HuR蛋白可以結(jié)合STAT3的3′UTR富含U的序列,阻止miR-330介導(dǎo)的STAT3翻譯抑制,促進(jìn)STAT3蛋白質(zhì)的翻譯,影響肌肉的發(fā)育。
研究發(fā)現(xiàn),RNA結(jié)合蛋白HuR還參與肌肉發(fā)育相關(guān)疾病的調(diào)節(jié)過程,包括先天性肌強(qiáng)直綜合征和肌肉萎縮等。有研究表明,Q膠原蛋白(cooh-terminal collagen Q, COLQ)的突變會導(dǎo)致先天性肌強(qiáng)直綜合征并伴隨乙酰膽堿酯酶的缺失,而HuR在COLQ突變引起的先天性肌強(qiáng)直綜合征中,起著穩(wěn)定乙酰膽堿酯酶的作用,具體機(jī)制是當(dāng)Q膠原蛋白缺失后,HuR能夠識別并結(jié)合乙酰膽堿受體亞單位的3′UTR,增加其穩(wěn)定性,促進(jìn)其表達(dá)。另外研究發(fā)現(xiàn),HuR蛋白參與調(diào)控由癌癥惡病質(zhì)引起的肌肉萎縮,HuR特異性敲除可以促進(jìn)小鼠Ⅰ型纖維的富集,進(jìn)而使其免受癌癥誘導(dǎo)的肌肉萎縮,過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1, PGC-1)是過氧化物酶體增殖物激活受體PPARγ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)的轉(zhuǎn)錄共激活因子,HuR通過與mRNA衰減因子KSRP互作調(diào)節(jié)-1 mRNA的穩(wěn)定性,降低PGC-1的表達(dá),進(jìn)而抑制Ⅰ型肌纖維的形成,促進(jìn)Ⅱ型肌纖維的形成,表明HuR可以通過促進(jìn)糖酵解型肌纖維的形成,參與調(diào)節(jié)骨骼肌纖維類型。多聚腺苷酸結(jié)合蛋白核1(polyadenylate binding protein nuclear 1,1)基因第一外顯子突變能夠?qū)е录∪馓禺愋约膊 垩市图I養(yǎng)不良(oculopharyngeal muscular dystrophy, OPMD),研究人員利用小鼠體內(nèi)外模型研究發(fā)現(xiàn),HuR蛋白能夠識別并結(jié)合PABPN1 3′UTR的ARE序列,負(fù)向調(diào)控PABPN1的mRNA與蛋白水平,這一結(jié)果為以后研究OPMD治療策略提供了參考。
近年來,RNA結(jié)合蛋白與非編碼RNA互作調(diào)控肌肉生長發(fā)育成為肌肉生物學(xué)研究新的焦點之一,作為機(jī)體內(nèi)表達(dá)最廣泛的RNA結(jié)合蛋白,HuR的生物學(xué)功能及在肌生成與肌肉疾病發(fā)生過程中的作用機(jī)制也逐漸被報道,其主要通過影響靶mRNA的穩(wěn)定性和翻譯參與調(diào)控肌肉生長發(fā)育及肌肉疾病的發(fā)生。但是,目前關(guān)于HuR的功能研究主要集中在模式動物上,畜禽動物上HuR的功能和作用機(jī)制尚未闡明。近些年,隨著功能性非編碼RNA不斷被發(fā)掘,RNA結(jié)合蛋白和非編碼RNA互作的調(diào)控機(jī)制研究也會越來越多。通過開展RNA結(jié)合蛋白及其與非編碼RNA互作調(diào)控肌肉生長發(fā)育的相關(guān)研究,能夠進(jìn)一步完善肌肉生成分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),深化對肌肉生長發(fā)育潛在分子機(jī)制的認(rèn)識,并可能為肌肉發(fā)育相關(guān)疾病的治療提供新的思路和應(yīng)對策略。