Polysome-seq文章解读

【中文题目】核糖核酸酶抑制剂1（RNH1）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 Advances（Q1，IF 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1（RNH1）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38（RPL38）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1（RNH1），亦称核糖核酸酶/血管生成素抑制剂，是高等脊椎动物基因，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（RP）mRNA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RNA（rRNA）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.