【中文题目】核糖核酸酶抑制剂1RNH1和血管生成素ANG协同调控特定类型细胞的全局翻译机制研究【文章题目】Ribonuclease inhibitor and angiogenin system regulates cell type–specific global translation【发表期刊】Science AdvancesQ1IF 12.5【发表年份】2024年5月【研究团队】瑞士伯尔尼大学医院血液科与中央血液学实验室、伯尔尼大学生物医学研究系 Ramanjaneyulu Allam教授团队【核心技术】多核糖体图谱分析Polysome profiling、多核糖体测序Polysome-seq、RNA测序RNA-seq【研究概要】本研究聚焦于核糖核酸酶抑制剂1RNH1和血管生成素ANG协同调控造血细胞与非造血细胞的全局翻译。采用人类细胞系和小鼠模型研究发现在造血细胞中RNH1缺失通过抑制核糖体蛋白mRNA的翻译和mRNA环化降低全局翻译而ANG在非造血细胞中通过增加rRNA合成来补偿RNH1缺失导致的翻译缺陷。这项研究揭示了细胞类型特异性的翻译调节因子及其介导的翻译调控机制。基因表达是多细胞生物细胞表型与功能多样化的基础。尽管翻译是mRNA解码生成蛋白质的必需过程但传统上被认为是缺乏对特定基因表达直接调控能力的“默认”步骤。然而近年来的研究表明翻译控制在蛋白质合成的精细调控及特定基因表达调节中发挥着重要作用。例如小鼠核糖体蛋白38RPL38基因突变可解除对特定同源盒mRNA的翻译调控导致组织特异性发育缺陷。此外多种核糖体蛋白基因如RPS19、RPL5、RPL11、RPL35A、RPS10、RPS17和RPS24突变均可导致Diamond-Blackfan贫血DBA其临床表现为骨髓衰竭、贫血及颅面畸形。研究表明DBA贫血表型与部分调控红细胞分化的mRNA翻译效率下降密切相关。核糖体蛋白作为核糖体的核心组分几乎存在于所有细胞中其基因突变本应引起全局性表型但在翻译缺陷条件下表现出的组织特异性表型机制尚不完全明确目前已有多种假说仍在讨论中。此外尽管特定mRNA的翻译调控增加了基因表达的复杂性但全局翻译是否以细胞类型特异性方式被调控仍未得到清晰解答。核糖核酸酶抑制剂1RNH1亦称核糖核酸酶/血管生成素抑制剂是高等脊椎动物特有基因在哺乳动物细胞中普遍表达。除抑制核糖核酸酶活性外RNH1还具有多种生物学功能包括结合并抑制内质网应激传感器IRE1、参与肿瘤生长与转移、调控tRNA降解、miR-21加工、抑制炎症小体激活等。此外RNH1作为核糖体相关蛋白可通过调控GATA1 mRNA翻译影响红细胞生成其缺失可导致小鼠胚胎红细胞发育异常。人类分子遗传学研究进一步揭示RNH1基因突变可导致全局发育迟缓、胚胎死亡、炎症及大细胞性贫血等严重表型。这些证据表明RNH1是一个对哺乳动物生存至关重要的多功能分子。研究结果一、RNH1缺失在造血细胞中导致特异性全局翻译抑制为探究RNH1的翻译调控功能本研究在多种人源细胞系中建立了RNH1敲除KO模型。多核糖体分析显示在非造血来源的细胞HEK293T、HeLa、HaCaT、SH-SY5Y中RNH1缺失未对全局翻译水平产生显著影响。然而在造血来源的细胞K562、THP1、MOLM13、Jurkat中RNH1敲除导致多核糖体水平显著降低图1。图1 RNH1缺失导致造血来源细胞的特异性全局翻译抑制这一细胞水平的现象在RNH1敲除小鼠模型中得到了体内验证与体外结果一致小鼠造血组织脾脏、骨髓来源的细胞呈现显著的全局翻译缺陷而肝脏细胞则未受影响图2。以上结果首次揭示了RNH1在哺乳动物造血细胞中发挥细胞类型特异性的全局翻译调控作用。图2 RNH1缺失导致小鼠造血组织的特异性全局翻译降低二、RNH1通过影响核糖体蛋白mRNA翻译与mRNA环化调控全局翻译为阐明RNH1调控翻译的分子机制本研究结合Polysome-seq与RNA-seq分析发现RNH1缺失并未改变核糖体蛋白RPmRNA的总表达水平但导致其翻译效率显著下降。Western Blot结果进一步证实在RNH1敲除的造血细胞及小鼠造血组织中代表性核糖体蛋白RPS19与RPS3的蛋白水平呈特异性降低图3。上述结果表明RNH1通过调控RP mRNA的翻译来影响全局蛋白质合成。图3 RNH1参与核糖体蛋白mRNA的翻译调控进一步研究发现RNH1缺失并未影响mTOR通路活性及eIF2α的磷酸化水平提示RNH1并非通过上述经典翻译调控通路发挥作用。机制研究显示RNH1可与多聚腺苷酸结合蛋白PABP发生相互作用。RNH1的缺失减弱了PABP与翻译起始因子eIF4G的结合从而影响mRNA的环化及翻译起始效率图4。尽管如此RNH1缺失在非造血细胞中未造成显著的翻译缺陷提示可能存在独立的补偿机制。图4 RNH1与PABP相互作用促进mRNA环化三、非造血细胞中ANG通过增强rRNA合成补偿RNH1缺失所致的翻译缺陷鉴于上述现象本研究推测非造血细胞中存在针对RNH1缺失的特异性补偿机制。通过单细胞转录组数据分析及Western Blot验证发现血管生成素ANG在非造血细胞中表达水平较高而在造血细胞中近乎不表达。RNH1缺失可进一步上调非造血细胞中ANG的表达并促进其向细胞核内转移图5。图5 在非造血细胞中RNH1缺失促进ANG的表达及其入核功能实验表明在非造血细胞中ANG通过增强核糖体RNArRNA的合成有效代偿了因RNH1缺失引发的翻译缺陷从而维持了全局翻译稳态图6。这一机制合理地解释了RNH1缺失为何在非造血细胞中不引起显著的翻译表型。图6 在非造血细胞中ANG补偿了因RNH1缺失导致的翻译缺陷本文小结本研究揭示了RNH1与ANG系统在调控细胞类型特异性全局翻译中的协同作用RNH1在造血细胞中通过调控RP mRNA翻译及mRNA环化维持翻译稳态而在非造血细胞中ANG则通过促进rRNA合成发挥代偿功能。此外RNH1缺失可导致小鼠胚胎红细胞生成障碍及贫血与人类RNH1基因突变所致的贫血表型一致表明RNH1在造血系统中具有重要的生理功能。RNH1与ANG均为脊椎动物特有基因提示在进化过程中脊椎动物可能获得了更为精细的翻译调控机制以适应复杂细胞类型的特异性功能需求。上述发现不仅深化了对细胞特异性翻译调控机制的理解也为翻译失调相关疾病如核糖体病、癌症及神经退行性疾病提供了潜在的新型研究靶点。参考文献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.下载链接https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11141627/ Polysome-seq文章解读 | RNH1-ANG协同调节造血细胞与非造血细胞的全局翻译，揭示细胞类型特异性的翻译调控新机制
【中文题目】核糖核酸酶抑制剂1RNH1和血管生成素ANG协同调控特定类型细胞的全局翻译机制研究【文章题目】Ribonuclease inhibitor and angiogenin system regulates cell type–specific global translation【发表期刊】Science AdvancesQ1IF 12.5【发表年份】2024年5月【研究团队】瑞士伯尔尼大学医院血液科与中央血液学实验室、伯尔尼大学生物医学研究系 Ramanjaneyulu Allam教授团队【核心技术】多核糖体图谱分析Polysome profiling、多核糖体测序Polysome-seq、RNA测序RNA-seq【研究概要】本研究聚焦于核糖核酸酶抑制剂1RNH1和血管生成素ANG协同调控造血细胞与非造血细胞的全局翻译。采用人类细胞系和小鼠模型研究发现在造血细胞中RNH1缺失通过抑制核糖体蛋白mRNA的翻译和mRNA环化降低全局翻译而ANG在非造血细胞中通过增加rRNA合成来补偿RNH1缺失导致的翻译缺陷。这项研究揭示了细胞类型特异性的翻译调节因子及其介导的翻译调控机制。基因表达是多细胞生物细胞表型与功能多样化的基础。尽管翻译是mRNA解码生成蛋白质的必需过程但传统上被认为是缺乏对特定基因表达直接调控能力的“默认”步骤。然而近年来的研究表明翻译控制在蛋白质合成的精细调控及特定基因表达调节中发挥着重要作用。例如小鼠核糖体蛋白38RPL38基因突变可解除对特定同源盒mRNA的翻译调控导致组织特异性发育缺陷。此外多种核糖体蛋白基因如RPS19、RPL5、RPL11、RPL35A、RPS10、RPS17和RPS24突变均可导致Diamond-Blackfan贫血DBA其临床表现为骨髓衰竭、贫血及颅面畸形。研究表明DBA贫血表型与部分调控红细胞分化的mRNA翻译效率下降密切相关。核糖体蛋白作为核糖体的核心组分几乎存在于所有细胞中其基因突变本应引起全局性表型但在翻译缺陷条件下表现出的组织特异性表型机制尚不完全明确目前已有多种假说仍在讨论中。此外尽管特定mRNA的翻译调控增加了基因表达的复杂性但全局翻译是否以细胞类型特异性方式被调控仍未得到清晰解答。核糖核酸酶抑制剂1RNH1亦称核糖核酸酶/血管生成素抑制剂是高等脊椎动物特有基因在哺乳动物细胞中普遍表达。除抑制核糖核酸酶活性外RNH1还具有多种生物学功能包括结合并抑制内质网应激传感器IRE1、参与肿瘤生长与转移、调控tRNA降解、miR-21加工、抑制炎症小体激活等。此外RNH1作为核糖体相关蛋白可通过调控GATA1 mRNA翻译影响红细胞生成其缺失可导致小鼠胚胎红细胞发育异常。人类分子遗传学研究进一步揭示RNH1基因突变可导致全局发育迟缓、胚胎死亡、炎症及大细胞性贫血等严重表型。这些证据表明RNH1是一个对哺乳动物生存至关重要的多功能分子。研究结果一、RNH1缺失在造血细胞中导致特异性全局翻译抑制为探究RNH1的翻译调控功能本研究在多种人源细胞系中建立了RNH1敲除KO模型。多核糖体分析显示在非造血来源的细胞HEK293T、HeLa、HaCaT、SH-SY5Y中RNH1缺失未对全局翻译水平产生显著影响。然而在造血来源的细胞K562、THP1、MOLM13、Jurkat中RNH1敲除导致多核糖体水平显著降低图1。图1 RNH1缺失导致造血来源细胞的特异性全局翻译抑制这一细胞水平的现象在RNH1敲除小鼠模型中得到了体内验证与体外结果一致小鼠造血组织脾脏、骨髓来源的细胞呈现显著的全局翻译缺陷而肝脏细胞则未受影响图2。以上结果首次揭示了RNH1在哺乳动物造血细胞中发挥细胞类型特异性的全局翻译调控作用。图2 RNH1缺失导致小鼠造血组织的特异性全局翻译降低二、RNH1通过影响核糖体蛋白mRNA翻译与mRNA环化调控全局翻译为阐明RNH1调控翻译的分子机制本研究结合Polysome-seq与RNA-seq分析发现RNH1缺失并未改变核糖体蛋白RPmRNA的总表达水平但导致其翻译效率显著下降。Western Blot结果进一步证实在RNH1敲除的造血细胞及小鼠造血组织中代表性核糖体蛋白RPS19与RPS3的蛋白水平呈特异性降低图3。上述结果表明RNH1通过调控RP mRNA的翻译来影响全局蛋白质合成。图3 RNH1参与核糖体蛋白mRNA的翻译调控进一步研究发现RNH1缺失并未影响mTOR通路活性及eIF2α的磷酸化水平提示RNH1并非通过上述经典翻译调控通路发挥作用。机制研究显示RNH1可与多聚腺苷酸结合蛋白PABP发生相互作用。RNH1的缺失减弱了PABP与翻译起始因子eIF4G的结合从而影响mRNA的环化及翻译起始效率图4。尽管如此RNH1缺失在非造血细胞中未造成显著的翻译缺陷提示可能存在独立的补偿机制。图4 RNH1与PABP相互作用促进mRNA环化三、非造血细胞中ANG通过增强rRNA合成补偿RNH1缺失所致的翻译缺陷鉴于上述现象本研究推测非造血细胞中存在针对RNH1缺失的特异性补偿机制。通过单细胞转录组数据分析及Western Blot验证发现血管生成素ANG在非造血细胞中表达水平较高而在造血细胞中近乎不表达。RNH1缺失可进一步上调非造血细胞中ANG的表达并促进其向细胞核内转移图5。图5 在非造血细胞中RNH1缺失促进ANG的表达及其入核功能实验表明在非造血细胞中ANG通过增强核糖体RNArRNA的合成有效代偿了因RNH1缺失引发的翻译缺陷从而维持了全局翻译稳态图6。这一机制合理地解释了RNH1缺失为何在非造血细胞中不引起显著的翻译表型。图6 在非造血细胞中ANG补偿了因RNH1缺失导致的翻译缺陷本文小结本研究揭示了RNH1与ANG系统在调控细胞类型特异性全局翻译中的协同作用RNH1在造血细胞中通过调控RP mRNA翻译及mRNA环化维持翻译稳态而在非造血细胞中ANG则通过促进rRNA合成发挥代偿功能。此外RNH1缺失可导致小鼠胚胎红细胞生成障碍及贫血与人类RNH1基因突变所致的贫血表型一致表明RNH1在造血系统中具有重要的生理功能。RNH1与ANG均为脊椎动物特有基因提示在进化过程中脊椎动物可能获得了更为精细的翻译调控机制以适应复杂细胞类型的特异性功能需求。上述发现不仅深化了对细胞特异性翻译调控机制的理解也为翻译失调相关疾病如核糖体病、癌症及神经退行性疾病提供了潜在的新型研究靶点。参考文献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.下载链接https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11141627/