【中文題目】核糖核酸酶抑制劑1（RNH1）和血管生成素（ANG）協(xié)同調(diào)控特定類型細胞的全局翻譯機制研究

【文章題目】Ribonuclease inhibitor and angiogenin system regulates cell type–specific global translation

【發(fā)表期刊】Science Advances（Q1，IF 12.5）

【發(fā)表年份】2024年5月

【研究團隊】瑞士伯爾尼大學醫(yī)院血液科與中央血液學實驗室、伯爾尼大學生物醫(yī)學研究系 Ramanjaneyulu Allam教授團隊

【核心技術(shù)】多核糖體圖譜分析（Polysome profiling）、多核糖體測序（Polysome-seq）、RNA測序（RNA-seq）

【研究概要】本研究聚焦于核糖核酸酶抑制劑1（RNH1）和血管生成素（ANG）協(xié)同調(diào)控造血細胞與非造血細胞的全局翻譯。采用人類細胞系和小鼠模型，研究發(fā)現(xiàn)在造血細胞中RNH1缺失通過抑制核糖體蛋白mRNA的翻譯和mRNA環(huán)化降低全局翻譯；而ANG在非造血細胞中通過增加rRNA合成來補償RNH1缺失導致的翻譯缺陷。這項研究揭示了細胞類型特異性的翻譯調(diào)節(jié)因子及其介導的翻譯調(diào)控機制。

基因表達是多細胞生物細胞表型與功能多樣化的基礎(chǔ)。盡管翻譯是mRNA解碼生成蛋白質(zhì)的必需過程，但傳統(tǒng)上被認為是缺乏對特定基因表達直接調(diào)控能力的“默認"步驟。然而，近年來的研究表明，翻譯控制在蛋白質(zhì)合成的精細調(diào)控及特定基因表達調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。例如，小鼠核糖體蛋白38（RPL38）基因突變可解除對特定同源盒mRNA的翻譯調(diào)控，導致組織特異性發(fā)育缺陷。此外，多種核糖體蛋白基因（如RPS19、RPL5、RPL11、RPL35A、RPS10、RPS17和RPS24）突變均可導致Diamond-Blackfan貧血（DBA），其臨床表現(xiàn)為骨髓衰竭、貧血及顱面畸形。研究表明，DBA貧血表型與部分調(diào)控紅細胞分化的mRNA翻譯效率下降密切相關(guān)。核糖體蛋白作為核糖體的核心組分，幾乎存在于所有細胞中；其基因突變本應(yīng)引起全局性表型，但在翻譯缺陷條件下表現(xiàn)出的組織特異性表型機制尚不明確，目前已有多種假說仍在討論中。此外，盡管特定mRNA的翻譯調(diào)控增加了基因表達的復雜性，但全局翻譯是否以細胞類型特異性方式被調(diào)控仍未得到清晰解答。

核糖核酸酶抑制劑1（RNH1），亦稱核糖核酸酶/血管生成素抑制劑，是高等脊椎動物基因，在哺乳動物細胞中普遍表達。除抑制核糖核酸酶活性外，RNH1還具有多種生物學功能，包括結(jié)合并抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器IRE1、參與腫瘤生長與轉(zhuǎn)移、調(diào)控tRNA降解、miR-21加工、抑制炎癥小體激活等。此外，RNH1作為核糖體相關(guān)蛋白，可通過調(diào)控GATA1 mRNA翻譯影響紅細胞生成，其缺失可導致小鼠胚胎紅細胞發(fā)育異常。人類分子遺傳學研究進一步揭示，RNH1基因突變可導致全局發(fā)育遲緩、胚胎死亡、炎癥及大細胞性貧血等嚴重表型。這些證據(jù)表明，RNH1是一個對哺乳動物生存至關(guān)重要的多功能分子。

研究結(jié)果

一、RNH1缺失在造血細胞中導致特異性全局翻譯抑制

為探究RNH1的翻譯調(diào)控功能，本研究在多種人源細胞系中建立了RNH1敲除（KO）模型。多核糖體分析顯示，在非造血來源的細胞（HEK293T、HeLa、HaCaT、SH-SY5Y）中，RNH1缺失未對全局翻譯水平產(chǎn)生顯著影響。然而，在造血來源的細胞（K562、THP1、MOLM13、Jurkat）中，RNH1敲除導致多核糖體水平顯著降低（圖1）。

圖1 RNH1缺失導致造血來源細胞的特異性全局翻譯抑制

這一細胞水平的現(xiàn)象在RNH1敲除小鼠模型中得到了體內(nèi)驗證：與體外結(jié)果一致，小鼠造血組織（脾臟、骨髓）來源的細胞呈現(xiàn)顯著的全局翻譯缺陷，而肝臟細胞則未受影響（圖2）。以上結(jié)果揭示了RNH1在哺乳動物造血細胞中發(fā)揮細胞類型特異性的全局翻譯調(diào)控作用。

圖2 RNH1缺失導致小鼠造血組織的特異性全局翻譯降低

二、RNH1通過影響核糖體蛋白mRNA翻譯與mRNA環(huán)化調(diào)控全局翻譯

為闡明RNH1調(diào)控翻譯的分子機制，本研究結(jié)合Polysome-seq與RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，RNH1缺失并未改變核糖體蛋白（RP）mRNA的總表達水平，但導致其翻譯效率顯著下降。Western Blot結(jié)果進一步證實，在RNH1敲除的造血細胞及小鼠造血組織中，代表性核糖體蛋白RPS19與RPS3的蛋白水平呈特異性降低（圖3）。上述結(jié)果表明，RNH1通過調(diào)控RP mRNA的翻譯來影響全局蛋白質(zhì)合成。

圖3 RNH1參與核糖體蛋白mRNA的翻譯調(diào)控

進一步研究發(fā)現(xiàn)，RNH1缺失并未影響mTOR通路活性及eIF2α的磷酸化水平，提示RNH1并非通過上述經(jīng)典翻譯調(diào)控通路發(fā)揮作用。機制研究顯示，RNH1可與多聚腺苷酸結(jié)合蛋白（PABP）發(fā)生相互作用。RNH1的缺失減弱了PABP與翻譯起始因子eIF4G的結(jié)合，從而影響mRNA的環(huán)化及翻譯起始效率（圖4）。盡管如此，RNH1缺失在非造血細胞中未造成顯著的翻譯缺陷，提示可能存在獨立的補償機制。

圖4 RNH1與PABP相互作用促進mRNA環(huán)化

三、非造血細胞中ANG通過增強rRNA合成，補償RNH1缺失所致的翻譯缺陷

鑒于上述現(xiàn)象，本研究推測非造血細胞中存在針對RNH1缺失的特異性補償機制。通過單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析及Western Blot驗證，發(fā)現(xiàn)血管生成素（ANG）在非造血細胞中表達水平較高，而在造血細胞中近乎不表達。RNH1缺失可進一步上調(diào)非造血細胞中ANG的表達，并促進其向細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移（圖5）。

圖5 在非造血細胞中RNH1缺失促進ANG的表達及其入核

功能實驗表明，在非造血細胞中，ANG通過增強核糖體RNA（rRNA）的合成，有效代償了因RNH1缺失引發(fā)的翻譯缺陷，從而維持了全局翻譯穩(wěn)態(tài)（圖6）。這一機制合理地解釋了RNH1缺失為何在非造血細胞中不引起顯著的翻譯表型。

圖6 在非造血細胞中ANG補償了因RNH1缺失導致的翻譯缺陷

本文小結(jié)

本研究揭示了RNH1與ANG系統(tǒng)在調(diào)控細胞類型特異性全局翻譯中的協(xié)同作用：RNH1在造血細胞中通過調(diào)控RP mRNA翻譯及mRNA環(huán)化維持翻譯穩(wěn)態(tài)；而在非造血細胞中，ANG則通過促進rRNA合成發(fā)揮代償功能。此外，RNH1缺失可導致小鼠胚胎紅細胞生成障礙及貧血，與人類RNH1基因突變所致的貧血表型一致，表明RNH1在造血系統(tǒng)中具有重要的生理功能。RNH1與ANG均為脊椎動物基因，提示在進化過程中，脊椎動物可能獲得了更為精細的翻譯調(diào)控機制，以適應(yīng)復雜細胞類型的特異性功能需求。上述發(fā)現(xiàn)不僅深化了對細胞特異性翻譯調(diào)控機制的理解，也為翻譯失調(diào)相關(guān)疾病（如核糖體病、癌癥及神經(jīng)退行性疾病）提供了潛在的新型研究靶點。

參考文獻：Stillinovic M, Sarangdhar MA, Andina N, Tardivel A, Greub F, Bombaci G, Ansermet C, Zatti M, Saha D, Xiong J, Sagae T, Yokogawa M, Osawa M, Heller M, Keogh A, Keller I, Angelillo-Scherrer A, Allam R. Ribonuclease inhibitor and angiogenin system regulates cell type-specific global translation. Sci Adv. 2024 May 31;10(22):eadl0320.