Mol Cell | 细胞凋亡的“幕后推手”：SLFN11与核糖体生物合成的爱恨情仇

撰文 | 咸姐

核糖体是细胞内负责蛋白质合成的关键细胞器，其生物合成过程 （Ribosome Biogenesis,RiBi） 是细胞内最为复杂且耗能巨大的过程之一。RiBi涉及多个步骤，包括核糖体RNA （rRNA） 的转录、加工，以及核糖体蛋白与成熟rRNA的组装。这一过程主要在细胞核内的核仁中完成，而核仁是细胞核内一个高度动态的无膜结构，其功能状态与细胞的增殖和代谢密切相关【1】。RiBi的异常往往与多种疾病的发生发展有关，尤其是在癌症中，癌细胞由于其旺盛的蛋白质合成需求，通常表现出核仁数量增加、体积增大以及核仁形态异常等特征【2】。这些特征不仅反映了癌细胞对RiBi的依赖，也使得RiBi成为癌症治疗的一个潜在靶点。近年来，越来越多的研究表明，许多抗癌药物，如烷化剂、嵌入剂、抗代谢物、拓扑异构酶抑制剂等，除了其主要作用机制外，还会通过损害RiBi来发挥其抗癌效果，但这一点通常容易被忽视。这种由RiBi受损引发的细胞应激反应被称为“核仁应激”，其结果包括细胞衰老、细胞周期阻滞以及凋亡等【3】。然而，核仁应激如何通过特定的分子机制影响细胞命运，尤其是在肿瘤抑制蛋白TP53缺失的情况下，仍然是一个亟待解决的问题。

SLFN11（Schlafen 11） 是一种在进化上高度保守的基因，其表达与多种DNA复制靶向抗癌药物的敏感性密切相关。SLFN11基因编码的蛋白具有RNA酶活性，能够通过切割II型tRNA来抑制蛋白质合成，进而影响细胞对DNA损伤的响应。此外，SLFN11还能够通过结合单链DNA （ssDNA） 来阻滞复制叉，从而引发复制应激。这些功能使得SLFN11在调控细胞对DNA损伤的响应中发挥重要作用。SLFN11作为预测和预后生物标志物的潜力已在多种癌症中得到验证，其在大约50%的癌症和癌细胞中被灭活，因此被认为是一个潜在的肿瘤抑制因子【4,5】。然而，SLFN11如何通过其多种功能机制影响癌细胞对DNA靶向抗癌药物的敏感性，以及其在RiBi中的具体作用机制尚未可知。

近日，来自日本庆应大学的Junko Murai团队在Molecular Cell上在线发表了文章SLFN11-mediated ribosome biogenesis impairment induces TP53-independent apoptosis，揭示了SLFN11通过损害RiBi来诱导TP53非依赖性凋亡、以应对复制应激的新机制，为理解SLFN11增强癌细胞对DNA靶向抗癌药物的敏感性提供了新的见解。

为了探索SLFN11对转录的影响，本文研究人员首先使用了5-乙炔基尿苷 （EU） 标记技术，通过脉冲标记点击化学方法在单细胞水平上检测新生RNA的合成。实验结果显示，在正常条件下，SLFN11野生型 （SLFN11-proficient） 和SLFN11基因敲除 （SLFN11-KO） 的细胞中EU的掺入量都很高，但在用拓扑异构酶I抑制剂 （如喜树碱CPT） 处理后，SLFN11野生型细胞中EU阳性细胞的比例逐渐降低，而SLFN11-KO细胞的EU掺入量则与未处理细胞相当。这表明SLFN11在复制应激 （Replication Stress, RS） 条件下能够选择性地抑制新生RNA的合成，且这种抑制作用主要发生在S期细胞中，而且SLFN11的各个功能域——包括Walker B基序 （E669） 、RNA酶位点 （E209/E214） 、单链DNA结合位点 （K652） 和去磷酸化位点 （S753） ——都对于其抑制RNA合成的功能至关重要。此外，研究人员发现，SLFN11依赖性的核仁EU掺入减少至少部分归因于rRNA合成抑制，而且与RNA聚合酶I （POLR1） 抑制剂的作用方式不同，SLFN11在RS条件下是通过影响rDNA的染色质状态来抑制新生rRNA的合成。

由于rRNA合成与RiBi相关，研究人员随后使用蔗糖梯度超速离心法来分析核糖体的分布变化，并通过嘌呤霉素标记实验检测新生蛋白的合成情况。此外，还利用定量蛋白质组学技术分析了SLFN11对细胞内蛋白质表达的影响。实验结果显示，SLFN11在RS条件下显著增加了单体核糖体的比例，同时减少了多聚体核糖体的比例，这与POLR1抑制剂处理的效果相似。同时，在RS条件下的SLFN11和POLR1抑制剂均能显著降低新生蛋白的合成水平，导致短寿命蛋白 （如MCL1、CCND3和MYB） 的显著减少，而这些蛋白的减少主要是通过翻译后调控实现的，而非转录水平的抑制。这些结果表明，在经历RS时，SLFN11通过损害RiBi来抑制整体翻译，消耗短半衰期蛋白，这一过程与POLR1抑制剂的作用相似，但后者不依赖于SLFN11的表达。

鉴于其作为关键抗凋亡因子的重要作用，研究人员将关注点放在了短半衰期蛋白MCL1上。研究人员证实，SLFN11在RS条件下可以选择性地耗竭MCL1。同时，研究人员发现，在RS条件下，SLFN11野生型细胞会出现凋亡信号，而SLFN11-KO细胞则几乎不发生凋亡。然而，G1期同步化的细胞不会发生SLFN11依赖的凋亡，表明SLFN11依赖的凋亡需要RS的发生。研究人员还发现，即使在TP53被敲除的细胞中，SLFN11诱导的凋亡仍然存在，但TP53的缺失会延迟凋亡的发生。此外，通过过表达MCL1，研究人员发现MCL1的水平越高，凋亡被抑制的程度越大，但无法完全恢复细胞活力。这些结果表明SLFN11在RS条件下通过减少MCL1蛋白水平来诱导凋亡，这一过程主要通过TP53非依赖性机制实现，但过量的MCL1仅仅延迟了凋亡的开始。进一步实验结果表明，SLFN11在RS条件下诱导凋亡的机制包括两个方面：一是通过激活JNK信号通路，二是通过耗竭MCL1蛋白。这两种机制相互独立，但共同作用，导致细胞凋亡的发生。与此同时，研究人员还观察到POLR1抑制剂处理的细胞在SLFN11表达与否的情况下均能显著降低MCL1蛋白水平、诱导细胞凋亡，但SLFN11的存在会增强这种凋亡效应。这些结果表明，SLFN11在RS条件下诱导的凋亡和由POLR1抑制剂诱导的凋亡具有共同的机制，这些机制很可能是通过减少MCL1蛋白水平来实现的，而这一过程是由RiBi受损和rRNA合成抑制所启动的。RiBi抑制剂则能够独立于SLFN11诱导细胞凋亡，其机制就涉及了MCL1蛋白水平的降低。

那么SLFN11依赖性和非依赖性凋亡途径是否可以在不同的癌细胞类型中推广呢？

研究人员利用JFCR39细胞系库 （包含39种来自9种不同组织来源的癌细胞系） 进行了研究。根据SLFN11的表达情况将这些细胞系分为三类：SLFN11阳性 （16个细胞系） 、SLFN11阴性 （15个细胞系） 和表达情况不明确 （3个细胞系） ，并通过自动化系统每小时监测一次细胞凋亡信号，研究人员证实了SLFN11依赖性和非依赖性凋亡途径在多种癌细胞系中具有普适性，且与RiBi受损和rRNA合成抑制密切相关。

综上所述，本研究揭示了SLFN11通过损害RiBi来诱导TP53非依赖性凋亡的新机制，这一机制被称为RIMA（RiBi受损-MCL1减少-凋亡） 。研究结果表明，SLFN11不仅通过其已知的RNA酶活性和复制阻滞功能来诱导凋亡，还通过影响RiBi和翻译过程来减少短寿命蛋白的水平，特别是MCL1蛋白。这一发现为理解SLFN11在癌细胞对DNA靶向抗癌药物敏感性中的作用提供了新的视角，并为开发新的抗癌治疗策略提供了潜在的靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.01.008

制版人：十一

参考文献

1. Pelletier, J., Thomas, G., and Volarevic, S. (2018). Ribosome biogenesis in cancer: new players and therapeutic avenues.Nat. Rev. Cancer18, 51–63.

2. Lafontaine, D.L.J., Riback, J.A., Bascetin, R., and Brangwynne, C.P. (2021). The nucleolus as a multiphase liquid condensate.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.22, 165–182.

3. James, A., Wang, Y., Raje, H., Rosby, R., and DiMario, P. (2014). Nucleolar stress with and without p53.Nucleus5, 402–426.

4. Metzner, F.J., Wenzl, S.J., Kugler, M., Krebs, S., Hopfner, K.P., and Lammens, K. (2022). Mechanistic understanding of human SLFN11.Nat. Commun.13, 5464.

5. Murai, J., Thomas, A., Miettinen, M., and Pommier, Y. (2019). Schlafen 11 (SLFN11), a restriction factor for replicative stress induced by DNA-targeting anti-cancer therapies.Pharmacol. Ther.201, 94–102.

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