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【中文題目】一個小核仁RNA(SNORA13)在核糖體生成和衰老中的非經典作用研究

【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Joshua T. Mendell團隊

【研究概要】

細胞衰老是一種由各種應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能夠負調控核糖體生成。誘導衰老的應激會擾亂核糖體生成，導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節(jié)核糖體生成和p53通路，這種機制與其指導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、質譜分析、UV-RIP實驗、突變體構建、小鼠體內實驗

【研究背景】

在非轉化細胞中，由異常的癌基因激活導致的不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)，稱為癌基因誘導的衰老 (OIS)。雖然已經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。一類與衰老相關的非編碼RNA—小核仁RNA (snoRNA)，傳統(tǒng)上snoRNA通?？梢砸龑渌?/span>RNA化學修飾。大多數(shù)snoRNA在編碼或非編碼轉錄本的內含子中編碼，在剪接過程中切除宿主內含子后，被加工成60-300個核苷酸的成熟形式。除了可以引導RNA修飾，snoRNA還執(zhí)行各種其他功能，包括調節(jié)前mRNA剪接和通過類似miRNA的機制調節(jié)靶mRNA。

【研究結果】

首先，該研究通過CRISPRi技術篩選到了一個OIS相關的非編碼RNA—EPB41L4A-AS1，它是一個高度保守的H/ACA盒snoRNA SNORA13的宿主轉錄本。進一步研究發(fā)現(xiàn)，敲低EPB41L4A-AS1阻止了HRAS^G12V誘導的細胞衰老，使細胞持續(xù)增殖，表明EPB41L4A-AS1和其編碼的SNORA13在OIS中至關重要。隨后，利用CRISPR技術對SNORA13進行敲除，但保證剪接后的EPB41L4A-AS1轉錄本正常表達。進一步通過致癌基因誘導實驗、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轉錄本。

圖1. 鑒定了一個OIS相關的非編碼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m¹acp³?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的缺失也會導致這些條件下翻譯的增加。

對野生型和敲除SNORA13的BJ-HRAS^G12V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的轉錄本TE增加，富含G/C的轉錄本TE反而降低，這與之前的研究結果相似。在正常生長情況下，SNORA13缺失對密碼子使用特異性影響極小。以上結果表明，SNORA13不太可能通過改變整體翻譯效率、轉錄本或密碼子特異性來調節(jié)衰老。此外，研究者注意到與之結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-HRAS^G12V細胞中核糖體亞基和翻譯核糖體豐度。結果發(fā)現(xiàn)，在SNORA13敲除細胞中，無論致癌基因HRAS^G12V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，利用一個表達內源性SNAP標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并進入細胞質中。總之，SNORA13參與了細胞在生理條件下對核糖體生成的調控，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控因子。

圖3. SNORA13通過核仁應激反應途徑調節(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。在致癌基因誘導后，大量的p53蛋白定位于細胞質，且p53與靶基因CDKN1A啟動子區(qū)域的結合顯著減少。SNORA13敲除還會導致MDM2蛋白活性增強，從而抑制p53的核積累和轉錄激活活性。而癌基因誘導的核仁應激反應，可以通過游離的RP與MDM2結合來抑制MDM2活性。敲除SNORA13后，由于60S亞基生成加速，游離RP減少，導致MDM2對p53的抑制作用增強，最終阻礙了細胞衰老。這些結果表明，SNORA13通過核仁應激反應途徑調節(jié)p53的活性。

之后，研究者構建了SNORA13的突變體，發(fā)現(xiàn)SNORA13突變后喪失了引導假尿苷化修飾，但仍能與RPL23結合，而且突變體可以恢復SNORA13敲除導致的細胞衰老表型。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HRAS^G12V表達激活下進入細胞衰老。以上結果說明，SNORA13通過一種不同于引導假核苷化的非典型機制來調節(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)的細胞中分離內源性SNORA13核糖核蛋白復合物（RNP）做質譜分析，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的特異性結合。同樣地，使用ASOs從紫外交聯(lián)細胞中下拉出內源性SNORA13，證明了RPL23的特異性共純化。這些結果表明，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形成復合物，但不能與SNORA25形成復合物。因此，SNORA13直接與RPL23相互作用，抑制RPL23：28S rRNA相互作用?；谝陨辖Y果，研究者提出SNORA13通過抑制RPL23整合到正在成熟的60S亞基中來負向調控核糖體生成，從而增強致癌基因誘導的核仁應激反應。

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OIS過程至關重要，且其在調控衰老的作用在人類和小鼠中保守。

【Polysome Profiling技術介紹】

基因表達在多個層面上受到調控，包括：表觀遺傳水平調控、轉錄水平調控、翻譯水平調控以及翻譯后修飾調控。其中，翻譯調控控制著蛋白質的生物合成以響應生理和病理的變化。而且，翻譯水平的調控也深刻影響了蛋白質的豐度。

研究翻譯水平的調控機制，有助于深入理解基因表達調控機制，并且可以解釋轉錄組和蛋白質組分析之間的差異。多聚核糖體分析（Polysome profiling）是研究翻譯調控機制常用的技術。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中調控翻譯的順式作用元件，對于解析基因表達調控的機制至關重要。此外，Polysome profiling可以與免疫印跡或蛋白質組學聯(lián)合使用，用于鑒定與核糖體結合或者與翻譯起始相關的蛋白質。最后，Polysome profiling特別適合于尚未進行全基因測序或者遺傳轉化操作困難的物種。

【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.