Polysome Profiling助力揭示小核仁RNA 調(diào)控細胞衰老的分子機制
【中文題目】一個小核仁RNA(SNORA13)在核糖體生成和衰老中的非經(jīng)典作用研究
【文章題目】A non-canonical role for a small nucleolar RNA in ribosome biogenesis and senescence
【發(fā)表期刊】Cell（影響因子45.5）
【發(fā)表時間】2024年8月22日
【研究團隊】美國德克薩斯大學(xué)Joshua T. Mendell團隊
圖1. 鑒定了一個OIS相關(guān)的非編碼RNA—EPB41L4A-AS1，其編碼SNORA13
圖2. Polysome profiling繪制核糖體圖譜
圖4. SNORA13直接與核糖體蛋白RPL23相互作用，抑制RPL23：28S rRNA相互作用
【文章題目】A non-canonical role for a small nucleolar RNA in ribosome biogenesis and senescence
【發(fā)表期刊】Cell（影響因子45.5）
【發(fā)表時間】2024年8月22日
【研究團隊】美國德克薩斯大學(xué)Joshua T. Mendell團隊
【研究概要】
細胞衰老是一種由各種應(yīng)激引起的不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)，包括異常的癌基因激活、端�？s短和DNA損傷。通過全基因組篩選，研究者發(fā)現(xiàn)了保守的小核仁RNA (snoRNA) SNORA13，它在人類細胞和小鼠的多種衰老形式中是必需的。盡管SNORA13指導(dǎo)核糖體解碼中心保守核苷酸的假尿苷化，但失去這種snoRNA對翻譯的影響很小。然而，SNORA13能夠負調(diào)控核糖體生成。誘導(dǎo)衰老的應(yīng)激會擾亂核糖體生成，導(dǎo)致游離核糖體蛋白的積累，從而激活衰老細胞中的p53。因此，SNORA13通過非典型的分子機制調(diào)節(jié)核糖體生成和p53通路，這種機制與其指導(dǎo)RNA修飾的作用不同。這些發(fā)現(xiàn)擴展了我們對snoRNA功能及其在細胞信號傳導(dǎo)中作用的理解。
【主要實驗】
CRISPRi篩選、RNA熒光原位雜交(FISH)、嘌呤霉素摻入實驗、核糖體分析(Ribo-seq、Polysome profiling)、RNA-seq、ChIP實驗、質(zhì)譜分析、UV-RIP實驗、突變體構(gòu)建、小鼠體內(nèi)實驗
【研究背景】
在非轉(zhuǎn)化細胞中，由異常的癌基因激活導(dǎo)致的不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)，稱為癌基因誘導(dǎo)的衰老 (OIS)。雖然已經(jīng)確定了大量參與衰老程序的編碼基因，但非編碼RNA在細胞衰老中的作用仍然知之甚少。一類與衰老相關(guān)的非編碼RNA—小核仁RNA (snoRNA)，傳統(tǒng)上snoRNA通常作為其他RNA化學(xué)修飾的引導(dǎo)者。大多數(shù)snoRNA在編碼或非編碼轉(zhuǎn)錄本的內(nèi)含子中編碼，在剪接過程中切除宿主內(nèi)含子后，被加工成60-300個核苷酸的成熟形式。除了作為RNA修飾的引導(dǎo)者，snoRNA還執(zhí)行各種其他功能，包括調(diào)節(jié)前mRNA剪接和通過類似miRNA的機制調(diào)節(jié)靶mRNA。
【研究結(jié)果】
首先，該研究通過CRISPRi技術(shù)篩選到了一個OIS相關(guān)的非編碼RNA—EPB41L4A-AS1，它是一個高度保守的H/ACA盒snoRNA SNORA13的宿主轉(zhuǎn)錄本。進一步研究發(fā)現(xiàn)，敲低EPB41L4A-AS1阻止了HRASG12V誘導(dǎo)的細胞衰老，使細胞持續(xù)增殖，表明EPB41L4A-AS1和其編碼的SNORA13在OIS中至關(guān)重要。隨后，利用CRISPR技術(shù)對SNORA13進行敲除，但保證剪接后的EPB41L4A-AS1轉(zhuǎn)錄本正常表達。進一步通過致癌基因誘導(dǎo)實驗、回補實驗、DNA損傷處理實驗，證明了SNORA13是多種形式衰老所必需的，而非剪接后的EPB41L4A-AS1轉(zhuǎn)錄本。
細胞衰老是一種由各種應(yīng)激引起的不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)，包括異常的癌基因激活、端�？s短和DNA損傷。通過全基因組篩選，研究者發(fā)現(xiàn)了保守的小核仁RNA (snoRNA) SNORA13，它在人類細胞和小鼠的多種衰老形式中是必需的。盡管SNORA13指導(dǎo)核糖體解碼中心保守核苷酸的假尿苷化，但失去這種snoRNA對翻譯的影響很小。然而，SNORA13能夠負調(diào)控核糖體生成。誘導(dǎo)衰老的應(yīng)激會擾亂核糖體生成，導(dǎo)致游離核糖體蛋白的積累，從而激活衰老細胞中的p53。因此，SNORA13通過非典型的分子機制調(diào)節(jié)核糖體生成和p53通路，這種機制與其指導(dǎo)RNA修飾的作用不同。這些發(fā)現(xiàn)擴展了我們對snoRNA功能及其在細胞信號傳導(dǎo)中作用的理解。
【主要實驗】
CRISPRi篩選、RNA熒光原位雜交(FISH)、嘌呤霉素摻入實驗、核糖體分析(Ribo-seq、Polysome profiling)、RNA-seq、ChIP實驗、質(zhì)譜分析、UV-RIP實驗、突變體構(gòu)建、小鼠體內(nèi)實驗
【研究背景】
在非轉(zhuǎn)化細胞中，由異常的癌基因激活導(dǎo)致的不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)，稱為癌基因誘導(dǎo)的衰老 (OIS)。雖然已經(jīng)確定了大量參與衰老程序的編碼基因，但非編碼RNA在細胞衰老中的作用仍然知之甚少。一類與衰老相關(guān)的非編碼RNA—小核仁RNA (snoRNA)，傳統(tǒng)上snoRNA通常作為其他RNA化學(xué)修飾的引導(dǎo)者。大多數(shù)snoRNA在編碼或非編碼轉(zhuǎn)錄本的內(nèi)含子中編碼，在剪接過程中切除宿主內(nèi)含子后，被加工成60-300個核苷酸的成熟形式。除了作為RNA修飾的引導(dǎo)者，snoRNA還執(zhí)行各種其他功能，包括調(diào)節(jié)前mRNA剪接和通過類似miRNA的機制調(diào)節(jié)靶mRNA。
【研究結(jié)果】
首先，該研究通過CRISPRi技術(shù)篩選到了一個OIS相關(guān)的非編碼RNA—EPB41L4A-AS1，它是一個高度保守的H/ACA盒snoRNA SNORA13的宿主轉(zhuǎn)錄本。進一步研究發(fā)現(xiàn)，敲低EPB41L4A-AS1阻止了HRASG12V誘導(dǎo)的細胞衰老，使細胞持續(xù)增殖，表明EPB41L4A-AS1和其編碼的SNORA13在OIS中至關(guān)重要。隨后，利用CRISPR技術(shù)對SNORA13進行敲除，但保證剪接后的EPB41L4A-AS1轉(zhuǎn)錄本正常表達。進一步通過致癌基因誘導(dǎo)實驗、回補實驗、DNA損傷處理實驗，證明了SNORA13是多種形式衰老所必需的，而非剪接后的EPB41L4A-AS1轉(zhuǎn)錄本。
圖1. 鑒定了一個OIS相關(guān)的非編碼RNA—EPB41L4A-AS1，其編碼SNORA13
接下來，深入研究了SNORA13參與衰老的分子機制。細胞分離和FISH實驗證明，SNORA13定位于核仁，且致癌基因誘導(dǎo)后不影響該snoRNA的定位及整體表達。通過多種分析證實了SNORA13是18S.1248U假尿苷化所必需的。由于18S:1248U位點上m1acp3Ѱ修飾在真核生物中是保守的，這種核苷酸修飾定位于核糖體解碼中心，于是推測SNORA13缺失可能會影響編碼衰老調(diào)節(jié)因子mRNA的翻譯。隨后，通過嘌呤霉素摻入實驗發(fā)現(xiàn)，在正常生長情況下SNORA13缺失后整體翻譯沒有明顯變化。不過，在致癌基因誘導(dǎo)下缺失SNORA13的細胞中翻譯水平有所增加，但這可能是由于這些細胞相對于野生型細胞持續(xù)增殖的次要后果，因為p53的缺失也會導(dǎo)致這些條件下翻譯的增加。
對野生型和敲除SNORA13的BJ-HRASG12V細胞進行Ribo-seq和RNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)在SNORA13敲除的細胞中，只有少數(shù)轉(zhuǎn)錄本顯示出翻譯效率（TE）的顯著改變。密碼子分析發(fā)現(xiàn)，富含A/U的轉(zhuǎn)錄本TE增加，富含G/C的轉(zhuǎn)錄本TE反而降低，這與之前的研究結(jié)果相似。在正常生長情況下，SNORA13缺失對密碼子使用特異性影響極小。以上結(jié)果表明，SNORA13不太可能通過改變整體翻譯效率、轉(zhuǎn)錄本或密碼子特異性來調(diào)節(jié)衰老。此外，研究者注意到與之結(jié)果不同的另一項研究，即敲除TSR3后的翻譯及隨后18S rRNA中該位點acp3修飾的缺失，這影響了核糖體蛋白（RP）編碼mRNA的翻譯。這種差異可能是由于隨后添加acp3并不需要該核苷酸的假尿苷化。
對野生型和敲除SNORA13的BJ-HRASG12V細胞進行Ribo-seq和RNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)在SNORA13敲除的細胞中，只有少數(shù)轉(zhuǎn)錄本顯示出翻譯效率（TE）的顯著改變。密碼子分析發(fā)現(xiàn)，富含A/U的轉(zhuǎn)錄本TE增加，富含G/C的轉(zhuǎn)錄本TE反而降低，這與之前的研究結(jié)果相似。在正常生長情況下，SNORA13缺失對密碼子使用特異性影響極小。以上結(jié)果表明，SNORA13不太可能通過改變整體翻譯效率、轉(zhuǎn)錄本或密碼子特異性來調(diào)節(jié)衰老。此外，研究者注意到與之結(jié)果不同的另一項研究，即敲除TSR3后的翻譯及隨后18S rRNA中該位點acp3修飾的缺失，這影響了核糖體蛋白（RP）編碼mRNA的翻譯。這種差異可能是由于隨后添加acp3并不需要該核苷酸的假尿苷化。
圖2. Polysome profiling繪制核糖體圖譜
采用Polysome profiling分析敲除SNORA13的BJ-HRASG12V細胞中核糖體亞基和翻譯核糖體豐度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在SNORA13敲除細胞中，無論致癌基因HRASG12V激活與否，游離60S亞基和單核糖體80S的穩(wěn)態(tài)豐度均顯著增加。隨后，利用一個表達內(nèi)源性SNAP標(biāo)簽的大核糖體亞基蛋白RPL28的HEK293T細胞系，監(jiān)測60S核糖體亞基生成。SNORA13基因缺失會導(dǎo)致總的及新形成的60S核糖體亞基和80S單核糖體豐度增加。使用EDTA將多核糖體解聚成游離的核糖體亞基，也證實了SNORA13的缺失會增加60S亞基的穩(wěn)態(tài)豐度。此外，與野生型相比，在敲除SNORA13的細胞中新標(biāo)記的RPL28會更快從核仁中消失，即更快組裝成60S并進入細胞質(zhì)中�？傊�，SNORA13參與了細胞在生理條件下對核糖體生成的調(diào)控，并在營養(yǎng)缺乏時抑制核糖體的生成。因此，SNORA13是核糖體生成的一個強負調(diào)控因子。
圖3. SNORA13通過核仁應(yīng)激反應(yīng)途徑調(diào)節(jié)p53的活性
通過基因集富集分析（GSEA）分析發(fā)現(xiàn)，在SNORA13敲除細胞中p53通路活性下降。在致癌基因誘導(dǎo)后，大量的p53蛋白定位于細胞質(zhì)，且p53與靶基因CDKN1A啟動子區(qū)域的結(jié)合顯著減少。SNORA13敲除還會導(dǎo)致MDM2蛋白活性增強，從而抑制p53的核積累和轉(zhuǎn)錄激活活性。而癌基因誘導(dǎo)的核仁應(yīng)激反應(yīng)，可以通過游離的RP與MDM2結(jié)合來抑制MDM2活性。敲除SNORA13后，由于60S亞基生成加速，游離RP減少，導(dǎo)致MDM2對p53的抑制作用增強，最終阻礙了細胞衰老。這些結(jié)果表明，SNORA13通過核仁應(yīng)激反應(yīng)途徑調(diào)節(jié)p53的活性。
之后，研究者構(gòu)建了SNORA13的突變體，發(fā)現(xiàn)SNORA13突變后喪失了引導(dǎo)假尿苷化修飾，但仍能與RPL23結(jié)合，而且突變體可以恢復(fù)SNORA13敲除導(dǎo)致的細胞衰老表型。此外，與敲除SNORA13基因相反，敲除EMG1和TSR3（分別催化18S:1248U的N1甲基化和acp的添加）后，當(dāng)HRASG12V表達激活下進入細胞衰老。以上結(jié)果說明，SNORA13通過一種不同于引導(dǎo)假核苷化的非典型機制來調(diào)節(jié)核糖體的生成和衰老。
之后，研究者構(gòu)建了SNORA13的突變體，發(fā)現(xiàn)SNORA13突變后喪失了引導(dǎo)假尿苷化修飾，但仍能與RPL23結(jié)合，而且突變體可以恢復(fù)SNORA13敲除導(dǎo)致的細胞衰老表型。此外，與敲除SNORA13基因相反，敲除EMG1和TSR3（分別催化18S:1248U的N1甲基化和acp的添加）后，當(dāng)HRASG12V表達激活下進入細胞衰老。以上結(jié)果說明，SNORA13通過一種不同于引導(dǎo)假核苷化的非典型機制來調(diào)節(jié)核糖體的生成和衰老。
圖4. SNORA13直接與核糖體蛋白RPL23相互作用，抑制RPL23：28S rRNA相互作用
利用反義寡核苷酸（ASOs）從紫外交聯(lián)的細胞中分離內(nèi)源性SNORA13核糖核蛋白復(fù)合物（RNP）做質(zhì)譜分析，鑒定到幾種顯著富集的互作蛋白，其中包括大核糖體亞基組分RPL23。UV-RIP實驗進一步證實了SNORA13與RPL23的特異性結(jié)合。同樣地，使用ASOs從紫外交聯(lián)細胞中下拉出內(nèi)源性SNORA13，證明了RPL23的特異性共純化。這些結(jié)果表明，SNORA13直接與RPL23相互作用，并且這種相互作用發(fā)生在核糖體亞基組裝完成前。體外實驗進一步證實，重組RPL23可以與SNORA13形成復(fù)合物，但不能與SNORA25形成復(fù)合物。因此，SNORA13直接與RPL23相互作用，抑制RPL23：28S rRNA相互作用。基于以上結(jié)果，研究者提出SNORA13通過抑制RPL23整合到正在成熟的60S亞基中來負向調(diào)控核糖體生成，從而增強致癌基因誘導(dǎo)的核仁應(yīng)激反應(yīng)。
最后，在小鼠中鑒定到了三個SNORA13的同源基因，且僅在同時敲除三個同源基因后才會導(dǎo)致60S亞基增加，這與人類細胞中的表型一致。這表明小鼠SNORA13同源基因功能冗余，共同調(diào)控60S亞基生成。之后，利用OIS小鼠模型，進一步證明了SNORA13對體內(nèi)OIS過程至關(guān)重要，且其在調(diào)控衰老的作用在人類和小鼠中保守。
【Polysome Profiling技術(shù)介紹】
基因表達在多個層面上受到調(diào)控，包括：表觀遺傳水平調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控、翻譯水平調(diào)控以及翻譯后修飾調(diào)控。其中，翻譯調(diào)控控制著蛋白質(zhì)的生物合成以響應(yīng)生理和病理的變化。而且，翻譯水平的調(diào)控也深刻影響了蛋白質(zhì)的豐度。
研究翻譯水平的調(diào)控機制，有助于深入理解基因表達調(diào)控機制，并且可以解釋轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析之間的差異。多聚核糖體分析（Polysome profiling）是研究翻譯調(diào)控機制常用的技術(shù)。Polysome profiling基于蔗糖梯度分離出free mRNA、40S核糖體亞基、60S核糖體亞基、80S monosome以及Polysome等組分。
Polysome profiling可用于特定mRNA的目標(biāo)分析以及翻譯整體分析。此外，也可以獲取正在翻譯的全長mRNA，包括非翻譯區(qū)（UTR）。UTR含有選擇性翻譯的順式作用元件。鑒定UTR中調(diào)控翻譯的順式作用元件，對于解析基因表達調(diào)控的機制至關(guān)重要。此外，Polysome profiling可以與免疫印跡或蛋白質(zhì)組學(xué)聯(lián)合使用，用于鑒定與核糖體結(jié)合或者與翻譯起始相關(guān)的蛋白質(zhì)。最后，Polysome profiling特別適合于尚未進行全基因測序或者遺傳轉(zhuǎn)化操作困難的物種。
最后，在小鼠中鑒定到了三個SNORA13的同源基因，且僅在同時敲除三個同源基因后才會導(dǎo)致60S亞基增加，這與人類細胞中的表型一致。這表明小鼠SNORA13同源基因功能冗余，共同調(diào)控60S亞基生成。之后，利用OIS小鼠模型，進一步證明了SNORA13對體內(nèi)OIS過程至關(guān)重要，且其在調(diào)控衰老的作用在人類和小鼠中保守。
【Polysome Profiling技術(shù)介紹】
基因表達在多個層面上受到調(diào)控，包括：表觀遺傳水平調(diào)控、轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控、翻譯水平調(diào)控以及翻譯后修飾調(diào)控。其中，翻譯調(diào)控控制著蛋白質(zhì)的生物合成以響應(yīng)生理和病理的變化。而且，翻譯水平的調(diào)控也深刻影響了蛋白質(zhì)的豐度。
研究翻譯水平的調(diào)控機制，有助于深入理解基因表達調(diào)控機制，并且可以解釋轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析之間的差異。多聚核糖體分析（Polysome profiling）是研究翻譯調(diào)控機制常用的技術(shù)。Polysome profiling基于蔗糖梯度分離出free mRNA、40S核糖體亞基、60S核糖體亞基、80S monosome以及Polysome等組分。
Polysome profiling可用于特定mRNA的目標(biāo)分析以及翻譯整體分析。此外，也可以獲取正在翻譯的全長mRNA，包括非翻譯區(qū)（UTR）。UTR含有選擇性翻譯的順式作用元件。鑒定UTR中調(diào)控翻譯的順式作用元件，對于解析基因表達調(diào)控的機制至關(guān)重要。此外，Polysome profiling可以與免疫印跡或蛋白質(zhì)組學(xué)聯(lián)合使用，用于鑒定與核糖體結(jié)合或者與翻譯起始相關(guān)的蛋白質(zhì)。最后，Polysome profiling特別適合于尚未進行全基因測序或者遺傳轉(zhuǎn)化操作困難的物種。
【參考文獻】
Chassé H, Boulben S, Costache V, Cormier P, Morales J. Analysis of translation using polysome profiling. Nucleic Acids Res. 2017, 45(3):e15. doi: 10.1093/nar/gkw907.
Cheng Y, Wang S, Zhang H, Lee JS, Ni C, Guo J, Chen E, Wang S, Acharya A, Chang TC, Buszczak M, Zhu H, Mendell JT. A non-canonical role for a small nucleolar RNA in ribosome biogenesis and senescence. Cell. 2024, 187(17):4770-4789.e23. doi: 10.1016/j.cell.2024.06.019.
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