撰文丨蓁 灼
责编丨迦 溆
细胞凋亡，一种程序性细胞死亡，广泛参与了多种生命过程并发挥了重要作用；这些生命过程包括了发育中的组织重塑，损伤细胞清除，病原入侵诱发的免疫防御以及肿瘤的免疫监视等。另一方面，对细胞凋亡的抵抗是肿瘤细胞的获得性特征，因此深入了解杀伤性细胞诱导的靶细胞凋亡的分子机制将有助于提高肿瘤免疫治疗的效果。
经典途径的细胞凋亡由BCL-2家族介导的线粒体外膜通透性（mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）及半胱天冬蛋白酶caspase的活化所触发。MOMP引起包括细胞色素c在内的多种促凋亡因子自线粒体膜间隙释放进入细胞质；释放出的细胞色素c起始并参凋亡小体的组装，随后活化caspase-9并进而激活效应caspase；效应caspase靶向并剪切一系列胞内蛋白质，最终引发细胞凋亡【1,2】。对于细胞凋亡的研究一直集中在caspase催化的底物蛋白质降解、MOMP及基因组DNA和细胞膜磷脂的变化。值得注意的是，一些研究表明，凋亡中细胞RNA代谢的变化能够促进细胞死亡的进程。在细胞凋亡过程中，mRNA前体的剪切与RNA的核外运输受到抑制，新生蛋白的合成受到阻碍【3】。然而，细胞凋亡阻抑蛋白质翻译的过程与机理目前仍未完全阐释明晰【4】。
人的mRNA普遍较为稳定，平均半衰期约为7小时【7】。在正常情况下，大部分mRNA的降解起始于去腺苷酸化作用，并随即发生由核酸外切酶XRN1与核酸外切体分别介导的5’ 端-3’ 端与3’ 端-5’端的核酸外切水解【5】。然而，在细胞凋亡过程中，有关RNA命运的决定目前知之甚少。
5月18日，美国哈佛大学医学院Judy Lieberman教授课题组（一作刘星博士现为中科院上海巴斯德研究所研究员，“青年千人”）在Cell杂志上发表了题为 PNPT1 Release from Mitochondria during Apoptosis Triggers Decay of Poly(A) RNAs 的研究论文，针对细胞凋亡过程中RNA广泛降解这一现象进行了深入研究并阐明了其发生的分子机理。研究表明，细胞凋亡早期多聚腺苷酸化RNA的降解依赖于MOMP并起始于RNA的3’端。3’端-5’端的核糖核酸外切酶PNPT1通过MOMP自线粒体释放并介导了凋亡过程的RNA降解及细胞凋亡。PNPT1的作用可被RNA 3’ 端的二级结构及RNA结合蛋白所抑制。因而揭示了细胞凋亡过程中RNA广泛降解的新机制。
在这项研究中，研究人员首先利用RNA-seq发现并确认在细胞发生凋亡的早期，含有多聚腺苷酸尾（poly（A） tail）的RNA能够被迅速并显著地降解，这一过程依赖于MOMP；并且发生降解的RNA主要是mRNA与定位于胞质的多聚腺苷酸化的非编码RNA（ncRNA），而核内的ncRNA没有明显变化。此外，蛋白质翻译系统并不参与凋亡相关的RNA降解过程。进一步地，研究人员通过测序数据分析及细胞水平的报告基因实验发现，凋亡相关的广泛RNA降解过程起始于RNA 3’ 端；随后，研究人员通过构建体外降解系统，利用生化分析以及细胞水平验证，发现定位于线粒体的核酸外切酶PNPT1是触发mRNA降解的起始因子。PNPT1在细胞凋亡起始阶段从线粒体释放到细胞质中，与底物RNA结合后从3’端剪切底物RNA，引发RNA降解。该研究还发现胞质poly（A）结合蛋白(Poly(A)-binding protein, PABP)可抑制RNA降解过程的发生，而在MOMP发生的细胞中PABP与mRNA发生解离，促进了PNPT1与 mRNA多聚腺苷酸尾的结合并引发去腺苷酸化过程。
PNPT1蛋白自细菌的多核苷酸磷酸化酶（polynucleotide phosphorylase, PNPase）进化而来，可以通过其3’端-5’端的RNA酶活性调控细菌RNA的半衰期。哺乳动物PNPT1定位于线粒体膜间隙，这一区域并不含有任何RNA。有研究表明，PNPT1介导了染色体编码的参与线粒体呼吸作用的RNA从胞质转运至线粒体基质【8】。但PNPT1核酸酶活性参与的细胞过程并不清楚。这一研究第一次揭示了PNPT1以核酸外切酶的身份在胞质发挥作用，介导了凋亡相关的泛RNA的降解，进而促进了细胞凋亡的进程。由于PNPT1三聚体化后发挥功能，形成的活性孔洞较狭窄，带有高级结构的非编码RNA无法进入孔洞因此能够抵抗PNPT1的切割，揭示了PNPT1对底物选择性的机制。
因此，这项研究为细胞凋亡发生过程中RNA的广泛降解提供了新的机制。与同实验室此前的研究相结合【6】，共同揭示了经典细胞凋亡通路中RNA自3’端起始降解至完全降解的酶促级联效应，并为增强免疫细胞对肿瘤细胞的杀伤提供了新的理论基础和策略。
参考文献
1. Taylor, R.C., Cullen, S.P., and Martin, S.J. (2008). Apoptosis: controlled demolition at the cellula level. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9, 231–241.
2. Riedl, S.J., and Shi, Y. (2004). Molecular mechanisms of caspase regulation during apoptosis. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 897–907.
3. Rajani, D.K., Walch, M., Martinvalet, D., Thomas, M.P., and Lieberman, J. (2012). Alterations in RNA processing during immune-mediated programmed cell death. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 8688–8693.
4. Thomas, M.P., and Lieberman, J. (2013). Live or let die: posttranscriptional gene regulation in cell stress and cell death. Immunol. Rev. 253, 237–252.
5. Schoenberg, D.R., and Maquat, L.E. (2012). Regulation of cytoplasmic mRNA decay. Nat. Rev. Genet. 13, 246–259.
6. Thomas, M.P., Liu, X., Whangbo, J., McCrossan, G., Sanborn, K.B., Basar, E., Walch, M., and Lieberman, J. (2015). Apoptosis triggers specific, rapid, and global mRNA decay with 30 uridylated intermediates degraded by DIS3L2. Cell Rep. 11, 1079–1089.
7. Tani, H., Mizutani, R., Salam, K.A., Tano, K., Ijiri, K., Wakamatsu, A., Isogai, T., Suzuki, Y., and Akimitsu, N. (2012). Genome-wide determination of RNA stability reveals hundreds of short-lived noncoding transcripts in mammals. Genome research 22, 947-956.
8. Wang, G., Chen, H.W., Oktay, Y., Zhang, J., Allen, E.L., Smith, G.M., Fan, K.C., Hong, J.S., French, S.W., McCaffery, J.M., et al. (2010). PNPASE regulates RNA import into mitochondria. Cell 142, 456-467.
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