王耀鋒, 宋自芳

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院肝膽外科,武漢 430022

氨酰tRNA合成酶(ARS)是細(xì)胞中一類經(jīng)典的氨酰化酶,催化氨基酸與其同源的tRNA共價(jià)結(jié)合。ARS由核基因編碼,在細(xì)胞質(zhì)和線粒體中均有分布,通常所說(shuō)的ARS為胞質(zhì)ARS,而線粒體ARS一般在細(xì)胞器中發(fā)揮作用,部分ARS具有氨?；撕途€粒體編碼的tRNA的雙重作用[1],在這里一并進(jìn)行討論。根據(jù)ARS的催化基團(tuán)和tRNA-反密碼子識(shí)別位點(diǎn)將它們分為兩類各10種,Ⅰ類具有Rossmann折疊的活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)域,Ⅱ類的活性位點(diǎn)具有反向平行的β折疊[2]。氨?；^(guò)程包括兩步:第一步為氨基酸分子的激活,即氨基酸的羧基與單磷酸腺苷(AMP)上的磷酸形成酯鍵;第二步為ARS催化特定的氨基酸與tRNA 3′端的酯化反應(yīng)[3]。ARS通過(guò)編輯反應(yīng)的雙篩機(jī)制,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的同源氨基酸識(shí)別以及非同源氨基酸的校對(duì)和水解[4],保證翻譯的高精確度。在胞質(zhì)中的ARS有游離和復(fù)合體兩種形式,其中ARS復(fù)合體(MSC)是一種由9個(gè)ARS[天冬氨酰tRNA合成酶(AspRS)、谷氨酰-脯氨酰tRNA合成酶(EPRS)、異亮氨酰tRNA合成酶(IleRS)、賴氨酰tRNA合成酶(LysRS)、亮氨酰tRNA合成酶(LeuRS)、甲硫氨酰tRNA合成酶(MetRS)、谷氨酰胺酰tRNA合成酶(GlnRS)和精氨酰tRNA合成酶(ArgRS)]和3種作為支架的非酶蛋白輔助因子[氨酰tRNA合成酶相互作用的多功能蛋白1(AIMP1/p43)、氨酰tRNA合成酶相互作用的多功能蛋白2(AIMP2/p38)和氨酰tRNA合成酶相互作用的多功能蛋白3(AIMP3/p18)]相互作用形成[5-6]。ARS除了在活細(xì)胞中發(fā)揮催化蛋白質(zhì)合成以外,越來(lái)越多的研究表明ARS及其復(fù)合體在細(xì)胞凋亡[7]、細(xì)胞衰老[8]、血管生成[9]、細(xì)胞免疫[10]等多領(lǐng)域發(fā)揮廣泛作用,根據(jù)其發(fā)揮作用的部位可分為非經(jīng)典胞內(nèi)功能和非經(jīng)典胞外功能,通過(guò)研究ARS與AIMP的非經(jīng)典作用可以對(duì)其功能有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

1 非經(jīng)典胞內(nèi)功能

1.1 ARS與細(xì)胞凋亡

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡主要通過(guò)兩種途徑,即外源性途徑(死亡受體途徑)以及內(nèi)源性途徑(線粒體途徑)[11]。外源性途徑通過(guò)胞外配體與跨膜死亡受體結(jié)合而觸發(fā),如1型TNF受體(TNFR1)和Fas(CD95)與其各自的特異性死亡配體(TNF和FasL)結(jié)合,通過(guò)細(xì)胞內(nèi)死亡結(jié)構(gòu)域(TRADD和FADD)活化Caspase-8啟動(dòng)凋亡[11]。內(nèi)源性途徑是由氧化應(yīng)激、DNA損傷等內(nèi)部刺激因素誘發(fā)線粒體外膜通透性增加,導(dǎo)致細(xì)胞色素c釋放并活化Caspase-9,激活Caspase-3引發(fā)凋亡,該途徑受Bcl-2家族蛋白質(zhì)調(diào)控[11]。AIMP主要參與細(xì)胞凋亡的外源性途徑,ARS則在兩種誘導(dǎo)凋亡途徑中均發(fā)揮重要作用,以下分別進(jìn)行闡述。

1.1.1 細(xì)胞凋亡外源性途徑 在ARS與AIMP參與的外源性凋亡途徑主要是通過(guò)調(diào)控死亡配體TNF-α和FasL與其各自對(duì)應(yīng)的死亡受體結(jié)合誘導(dǎo)的半胱天冬酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)。據(jù)報(bào)道,人類巨細(xì)胞病毒(HCMV)通過(guò)hcmv-miR-US4-1直接靶向GlnRS基因轉(zhuǎn)錄,下調(diào)GlnRS表達(dá)以促進(jìn)細(xì)胞凋亡[7]。而AIMP2可以增強(qiáng)凋亡抑制因子1(c-IAP1)與TNF受體相關(guān)因子2(TARF2)的結(jié)合抑制TNF-α的促凋亡作用[12]。有趣的是,AIMP2存在一個(gè)缺乏外顯子2的剪接變體AIMP2-DX2,它在肺癌以及化療抗性上皮性卵巢癌患者中表達(dá)增加[13-14]。目前發(fā)現(xiàn),AIMP2-DX2可作為AIMP2的競(jìng)爭(zhēng)性因子拮抗其抗凋亡和腫瘤抑制作用,主要通過(guò)以下兩種途徑:①AIMP2-DX2與p53競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合損害AIMP2的功能[14],②AIMP2-DX2與TRAF2結(jié)合阻礙AIMP2介導(dǎo)的TNF-α依賴性細(xì)胞凋亡[15]。因此,ARS與AIMP通過(guò)直接或間接的形式影響細(xì)胞凋亡的外源性途徑,同時(shí)AIMP剪接變體的生物功能有望成為進(jìn)一步研究的焦點(diǎn)。

1.1.2 內(nèi)源性途徑 與ARS相關(guān)的內(nèi)源性途徑的細(xì)胞凋亡主要是由有害物質(zhì)例如活性氧(ROS)或者DNA損傷導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡而觸發(fā)。

關(guān)于有害物質(zhì)如ROS對(duì)內(nèi)源性凋亡的影響,有研究表明,蘇氨酰tRNA合成酶2(ThrRS2)通過(guò)線粒體DNA(mtDNA)調(diào)節(jié)ROS以激活Caspase-8/9誘導(dǎo)肺腺癌細(xì)胞凋亡[16]。除此之外,LeuRS2沉默后也檢測(cè)到ROS水平升高,LeuRS2通過(guò)下調(diào)E2F1靶向線粒體融合蛋白2(Mfn-2)從而破壞線粒體穩(wěn)定性,導(dǎo)致線粒體膜透化進(jìn)而引起Caspase-3與細(xì)胞色素c的活化而引發(fā)凋亡[17]。而MetRS過(guò)表達(dá)通過(guò)調(diào)節(jié)同型半胱氨酸(Hcy)產(chǎn)生Hcy硫內(nèi)酯(HTL)以增加活性氧ROS,HTL誘導(dǎo)自發(fā)賴氨酸修飾(N-Hcy)使超氧化物歧化酶SOD1/2失活進(jìn)一步增強(qiáng)ROS生成,最后誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[18]。

與ARS相關(guān)的DNA損傷效應(yīng)則多表現(xiàn)為周期停滯而引起的細(xì)胞凋亡,例如,苯丙氨酰tRNA合成酶(PheRS)的α亞基(FARSA)過(guò)表達(dá)后G0～G1期和S期的整體細(xì)胞周期停滯,最終細(xì)胞走向凋亡[19]。有趣的是,白藜蘆醇(RSV)可以促進(jìn)酪氨酰tRNA合成酶(TyrRS)乙?；?從而促進(jìn)TyrRS進(jìn)入細(xì)胞核以減少DNA損傷來(lái)發(fā)揮抗凋亡作用,脫乙酰酶NAD-依賴性去乙酰化酶1(SIRT1)則可抑制該過(guò)程[20]。盡管這些分子對(duì)內(nèi)源性凋亡都具有調(diào)控作用,但其中大部分的具體分子機(jī)制仍需完善。

1.2 ARS與自噬

自噬作為一個(gè)高度保守的對(duì)細(xì)胞內(nèi)大分子乃至細(xì)胞器降解并得以循環(huán)利用的過(guò)程,對(duì)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)以及物質(zhì)周轉(zhuǎn)起到關(guān)鍵作用。包括營(yíng)養(yǎng)缺乏、氧化應(yīng)激在內(nèi)的各種刺激都能誘導(dǎo)自噬的增強(qiáng),自噬可以分為3種形式且都與溶酶體相關(guān):微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬[21]。LeuRS可通過(guò)胞內(nèi)亮氨酸濃度感知以及作為Rag GTP酶活化mTORC1的GTP酶活性介質(zhì)激活雷帕霉素復(fù)合物的哺乳動(dòng)物靶點(diǎn)1(mTORC1)來(lái)抑制自噬[22],但在體外實(shí)驗(yàn)中,LeuRS的β亞基(LARSB)缺失的斑馬魚(yú)通過(guò)激活mTORC1來(lái)誘導(dǎo)自噬[23],這與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的機(jī)制不盡相同。在葡萄糖饑餓的條件下,LeuRS1的S1042殘基發(fā)生葡糖酰胺化修飾,抑制LeuRS1與RagD-GTP酶相互作用[24],這種修飾促進(jìn)了Unc-51樣自噬激活激酶1(ULK1)對(duì)LeuRS1的亮氨酸結(jié)合位點(diǎn)的磷酸化從而使自噬活化[25]。此外,缺氧對(duì)于自噬也有深刻的影響[26],缺氧誘導(dǎo)因子HIF1α-Hey1基因抑制AIMP3表達(dá),從而誘導(dǎo)自噬且抑制線粒體呼吸,表現(xiàn)為p53表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致ROS積累水平降低[27]。

自噬一般與細(xì)胞存活相關(guān),但ARS與AIMP主要是通過(guò)抑制自噬而達(dá)到對(duì)細(xì)胞死亡的控制,所以降低ARS、AIMP的表達(dá)可能是應(yīng)對(duì)過(guò)度自噬的一種策略。

1.3 ARS與細(xì)胞衰老

細(xì)胞衰老是一個(gè)動(dòng)態(tài)的生物過(guò)程,其有抑制腫瘤的作用,衰老包括復(fù)制性衰老、應(yīng)激誘導(dǎo)的過(guò)早衰老和高致癌信號(hào)誘導(dǎo)的衰老[28]。胞質(zhì)和線粒體的ARS沉默會(huì)使不參與翻譯的tRNA積累從而激活Gcn4/ATF-4/ATF4營(yíng)養(yǎng)傳感途徑達(dá)到延緩細(xì)胞衰老[29],例如,EPRS沉默可以促進(jìn)脂肪分解以及延緩衰老[30]。最新研究表明,代謝紊亂誘發(fā)的葡糖氨?；揎棔?huì)使AIMP2積累,這種衰老誘導(dǎo)的AIMP2過(guò)表達(dá)所介導(dǎo)的聚(ADP-核糖)聚合酶1(PARP-1)在老年小鼠的肝臟中過(guò)度激活,可能是衰老相關(guān)肝脂肪變性的致病機(jī)制[31]。在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中,利用小鼠模型以及老年人血管驗(yàn)證了AIMP3的積累降低了成熟層膜蛋白A的水平,導(dǎo)致核層膜功能障礙,促進(jìn)了體外和體內(nèi)血管的衰老[32]。不僅如此,AIMP3誘導(dǎo)的衰老還受缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF1α)的負(fù)調(diào)控和Notch3的正調(diào)控[27]。至于細(xì)胞衰老的微觀機(jī)制,有研究表明SerRS募集端粒保護(hù)蛋白(POT1)連接到端粒,競(jìng)爭(zhēng)性抑制端粒酶的作用而是端粒變短進(jìn)而與細(xì)胞衰老產(chǎn)生聯(lián)系[8]。另外,細(xì)胞衰老與腫瘤的關(guān)系十分密切,SerRS過(guò)表達(dá)導(dǎo)致p21、p16和β半乳糖苷酶(β-gal)水平的升高,或者通過(guò)降低絲氨酸化活性誘導(dǎo)細(xì)胞衰老,并抑制小鼠宮頸腫瘤異種移植瘤的生長(zhǎng)。但是,LeuRS和TyrRS通過(guò)降低tRNA轉(zhuǎn)錄以及解除轉(zhuǎn)錄因子E2F1通路的調(diào)控允許衰老逃逸[33]。因此,研究細(xì)胞衰老的強(qiáng)度、類型等能為腫瘤耐藥以及腫瘤的治療提供思路。

2 非經(jīng)典胞外功能

ARSs的非經(jīng)典胞外功能主要是自身作為分泌型胞外細(xì)胞因子以及對(duì)各種細(xì)胞因子的調(diào)控從而介導(dǎo)細(xì)胞凋亡、血管生成以及各種免疫反應(yīng)。

2.1 ARS與細(xì)胞凋亡

作為分泌型細(xì)胞因子,GlyRS由巨噬細(xì)胞產(chǎn)生,通過(guò)減弱了鈣粘蛋白6(CDH6)與磷酸酶2A(PP2A)的相互作用去磷酸化胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)而起到促凋亡的作用[34]。最新的研究表明,GlyRS是在葡萄糖饑餓條件下通過(guò)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的分泌型細(xì)胞外囊泡分泌的[34]。

2.2 ARS與血管生成

在血管生成的影響因素里,血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)是正?；虿±硇匝苌傻年P(guān)鍵因素,對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞有抗凋亡作用[35]。SerRS是明確的與血管生成有關(guān)系的靶點(diǎn),最新研究表明,SerRS通過(guò)與轉(zhuǎn)錄因子陰陽(yáng)1蛋白(YY1)形成SerRS/YY1復(fù)合物,通過(guò)與遠(yuǎn)端上游順式調(diào)節(jié)元件(CREs)的結(jié)合負(fù)向調(diào)節(jié)VEGFA轉(zhuǎn)錄進(jìn)而抑制血管生成[9]。在缺氧條件下,SerRS的轉(zhuǎn)錄抑制因子因Ser101和Ser241位點(diǎn)的磷酸化而失活,從而減弱其DNA結(jié)合能力,阻止了缺氧誘導(dǎo)的c-Myc和HIF-1與VEGFA啟動(dòng)子的結(jié)合,以及VEGFA表達(dá)的激活[36]。不僅如此,藥物也能調(diào)節(jié)SerRS的效應(yīng),全反式維甲酸(tRA)通過(guò)與SerRS啟動(dòng)子結(jié)合誘導(dǎo)SerRS表達(dá),其血管抑制作用可以被紫外線激活的共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變(ATM)激酶抑制[37]。異黃酮通過(guò)與轉(zhuǎn)移相關(guān)1家庭成員2(MTA2)相互作用來(lái)調(diào)節(jié)SerRS轉(zhuǎn)錄[38]。除了SerRS,與VEGF相關(guān)的ARS還有HisRS與IleRS2,HisRS沉默激活血管內(nèi)皮鈣粘蛋白5(CDH5)和VEGF信號(hào)通路的傳導(dǎo),從而促進(jìn)血管生成,相反IleRS2沉默顯著降低了VEGF蛋白水平抑制血管生成[39-40]。

目前對(duì)于ARS調(diào)節(jié)血管生成的胞外分泌機(jī)制仍不完善,對(duì)于ARS啟動(dòng)血管生成的具體分子機(jī)制也需要進(jìn)一步研究,未來(lái)根據(jù)ARS效應(yīng)設(shè)計(jì)的藥物需要克服這些問(wèn)題。

2.3 ARS與免疫反應(yīng)

ARS與AIMP在細(xì)胞免疫反應(yīng)中也起到重要的作用[10],在這里我們總結(jié)了最新的ARS與AIMP在對(duì)免疫細(xì)胞的調(diào)控以及抗病原體感染的機(jī)制。ARS功能紊亂及其引起的翻譯失準(zhǔn)會(huì)使調(diào)控免疫細(xì)胞生物學(xué)行為的關(guān)鍵信號(hào)通路紊亂。功能失調(diào)的AlaRS導(dǎo)致的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)紊亂就是由T細(xì)胞受體信號(hào)傳導(dǎo)抑制引起,這可能會(huì)導(dǎo)致感染性或自身免疫性炎癥的發(fā)生[41]。對(duì)于T細(xì)胞的調(diào)控已有研究表明HisRS參與并抑制CD4+和CD8+細(xì)胞活化,在急性炎癥性疾病的小鼠模型中,HisRS下調(diào)免疫激活[42]。至于其他的免疫細(xì)胞,AIMP1通過(guò)促進(jìn)孤立存在的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生TNF-a部分激活NK細(xì)胞[43],而ThrRS促進(jìn)樹(shù)突狀細(xì)胞(DC)的成熟和激活,DC介導(dǎo)Th1反應(yīng)以及對(duì)甲型流感病毒感染的抗病毒作用[44]。當(dāng)在細(xì)菌感染時(shí),全長(zhǎng)TrpRS被釋放并啟動(dòng)Toll樣受體4(TLR4)-髓樣分化因子2(MD2)復(fù)合體激發(fā)免疫反應(yīng)。而在病毒感染早期也是由免疫細(xì)胞分泌具有抗病毒細(xì)胞因子作用的TrpRS,促進(jìn)炎癥細(xì)胞因子和Ⅰ型干擾素(IFNs)的產(chǎn)生,并減少了病毒復(fù)制[45]。

因此,無(wú)論是免疫調(diào)節(jié)還是抗病原體感染,ARS與AIMP都發(fā)揮著非常獨(dú)特的作用,研究ARS的分子結(jié)構(gòu)以及與藥物間的作用對(duì)新藥物的開(kāi)發(fā)都有幫助,同時(shí)還有很多ARS的抗感染機(jī)制尚待進(jìn)一步闡明。

3 總結(jié)與展望

ARS作為一類廣泛表達(dá)且進(jìn)化保守的酶,主要通過(guò)氨?；渫吹膖RNA在蛋白質(zhì)翻譯中發(fā)揮作用,因此ARS對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和機(jī)體正常生理功能是不可或缺的。事實(shí)上,ARS有許多非經(jīng)典的作用,對(duì)于細(xì)胞凋亡[7]、自噬[22]、衰老[8]、血管生成[9]以及免疫反應(yīng)[10]都密切相關(guān)。這些生物過(guò)程之間也存在著聯(lián)系,例如ARS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡與細(xì)胞自噬都與p53相關(guān),細(xì)胞凋亡效應(yīng)影響血管生成,細(xì)胞衰老和細(xì)胞凋亡都能對(duì)腫瘤的發(fā)生發(fā)展起調(diào)控作用;值得注意的是,一些ARS如SerRS在細(xì)胞凋亡、自噬、衰老、血管生成中都發(fā)揮著不同的作用,這些都幫助我們對(duì)ARS的功能有一個(gè)全面的、整體的認(rèn)識(shí)。

目前來(lái)看,ARS以及AIMP介導(dǎo)細(xì)胞凋亡和細(xì)胞衰老都是有效的抑制腫瘤途徑,那么這些ARS可以作為癌癥治療的靶點(diǎn)來(lái)進(jìn)行藥物的研發(fā),而且它們一般在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá),針對(duì)這個(gè)特性可以將其作為診斷標(biāo)志物提高診斷率,及早篩查。綜上所述,我們對(duì)ARS的非經(jīng)典作用進(jìn)行了綜述,希望能對(duì)ARS的生物學(xué)功能以及在疾病中的作用有新的認(rèn)識(shí)。