细胞核RNA稳态：调控细胞命运与抗衰老的关键

细胞核RNA稳态：调控细胞命运与抗衰老的关键

近期，清华大学医学院沈晓骅团队在《Cell Stem Cell》期刊发表重要研究成果，揭示了细胞核RNA稳态在维持细胞命运和衰老中的关键作用。这一发现不仅深化了我们对细胞核功能的理解，还为抗衰老研究提供了新的视角和潜在靶点。

细胞核作为细胞的遗传与代谢控制中心，其内部的RNA稳态对于维持细胞功能至关重要。沈晓骅团队的研究表明，RNA外切酶复合体在调控核糖体RNA（rRNA）、信使RNA（mRNA）和非编码RNA（ncRNA）的平衡中发挥着核心作用。

在细胞核中，大约一半的体积被染色质占据，剩余空间则含有压缩的核糖核蛋白（RNP）颗粒。转录过程发生在核仁和染色质周围界面，产生的RNA会穿过染色质间隙。其中，RNA聚合酶I负责核糖体RNA的转录，而RNA聚合酶II则负责产生mRNA和广泛的非编码RNA。

mRNA仅占基因组的1%，但其高表达和高效剪接，并从细胞核输出到细胞质进行蛋白质翻译。相比之下，ncRNA来源于绝大多数基因组，表现出低表达、最小剪接、快速衰变和细胞核滞留等特征。这些多样性的ncRNA包括长链非编码RNA（lncRNA）。

mRNA的生物发生与转录相一致。当新生RNA从染色质模板上的易位RNA聚合酶中产生时，它与蛋白质结合，形成细胞核内不均一性RNP（hnRNP）颗粒。其中一些与mRNA相关的hnRNP颗粒经历额外的RNA加工、重塑和蛋白质沉积，最终形成成熟的信使RNP （mRNP），并输出到细胞质。相反，与ncRNA相关的hnRNP（ncRNP）则留在细胞核中，ncRNA成分在细胞核中降解。监测系统确保mRNA用于蛋白质合成的准确性，具有加工缺陷的前体mRNA在细胞核内衰减，接受了ncRNA命运。

协调RNA的产生、加工、降解和核输出确保了不同种类RNA（rRNA、mRNA和ncRNA）之间的平衡，并维持细胞核内RNA稳态。核ncRNP，连同输出的mRNP和核糖体亚基，被定位形成一个贯穿核质、紧密包裹和穿透染色质的动态网络。这种核RNP网状结构提供了支持动态相互作用和酶促反应的结构框架，可能影响染色质组织和必要的核过程，例如转录、RNA加工和核转运。然而，RNP网中核RNA稳态的功能含义及其对细胞核和细胞功能的影响尚不清楚。

RNA外切酶复合体（RNA exosome complex）通过去除外部和内部转录间隔区（ETS和ITS）来处理前体rRNA，并降解错误的rRNA和前体mRNA、内含子RNA和不同类型的ncRNA。这种外切体活性有助于核ncRNA的快速更新，并作为rRNA和mRNA生物发生的质量控制机制，确保功能性RNA分子的保真度。RNA外切体的活性和特异性依赖于它与衔接蛋白复合体（例如TRAMP、NEXT、PAXT）的结合，这些复合体分别靶向特定的RNA底物（例如前体rRNA，核ncRNA和异常mRNA）。保守的RNA解旋酶MTR4作为RNA外切体的衔接物，通过解旋底物RNA和促进寡腺苷酸化促进靶向降解。

外切体关键成分（包括EXOSC2、EXOSC3和EXOSC8）的突变与人类的严重神经障碍和早衰症相关。然而，在病理条件下受损的RNA分解代谢的分子后果仍不清楚。

与分化的细胞相比，多能胚胎干细胞（ESC）表现出独特的特征，包括Pol I和Pol II转录活性高，增强的核糖体生物发生和翻译水平，全局松散的染色质结，以及明显增大的核仁。

为了探索核内RNA稳态和细胞过程之间的相互作用，研究团队在小鼠多能胚胎干细胞（ESC）中建立了一个可控的蛋白降解系统，靶向一个重要的外切体成分EXOSC2，以干扰RNA的分解代谢。

该研究的发现强调了RNA分解代谢在维持原始核RNA环境中维持核RNA和蛋白质之间微妙平衡的关键重要性。这种稳态对于协调关键过程（例如转录、核糖体生物发生、翻译和基因组组织）至关重要，从而优化细胞功能。这种协调的中断可深刻影响细胞核和细胞功能，导致全身性衰退，损害多能细胞的特性，并加速衰老的提前发生。

具体来说，该研究观察到胚胎干细胞中RNA外切体的耗竭显著影响转录组和蛋白组，导致多能性丧失和早衰的发生。从机制上讲，外切体的耗竭触发急性核RNA聚集，破坏核RNA-蛋白质平衡。这种干扰限制了核蛋白的可用性，阻碍了聚合酶的起始和参与，减少了基因转录。同时，它迅速破坏核仁转录、核糖体过程和核输出，导致翻译关闭。长期的外切体耗竭还诱导了类似衰老细胞的核结构变化。

这些效应表明，核RNA的动态周转协调了基本过程之间的串扰，以优化细胞功能。核RNA稳态的破坏会导致系统性功能下降，改变细胞状态并促进衰老。

与此同时，德克萨斯大学西南医学中心Joshua Mendell教授团队在《Science》期刊上发表的研究揭示了tRNA在翻译过程中调控mRNA降解的新机制。研究发现，特定的tRNA通过招募CCR4-NOT复合体到正在翻译的核糖体，启动mRNA降解，从而促进mRNA周转。

在mRNA翻译为蛋白质的过程中，转运RNA（tRNA）负责识别mRNA上的每个密码子，并将对应的氨基酸添加到多肽链，再进一步折叠、修饰为蛋白质。而Science期刊发表的一项最新研究发现了tRNA的全新作用——在翻译过程中调控mRNA降解。

该研究通过冷冻电子显微镜和tRNA突变实验发现，解码精氨酸密码子的特异性tRNA直接将CCR4-NOT复合体招募到正在翻译的核糖体，启动mRNA降解，从而促进mRNA周转。相反，还有一些tRNA具有阻止CCR4-NOT复合体募集的结构特征。

该研究发现了tRNA在翻译过程中调控mRNA降解的新作用——P位点tRNA介导的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay），扩展了tRNA的已知功能，揭示了调控哺乳动物细胞中mRNA稳定性的新机制，这一机制对于调控基因表达至关重要，尤其是线粒体相关mRNA，因此，这一发现可能为线粒体遗传病、肥胖症以及癌症等线粒体相关疾病提供新的治疗方法。

许多RNA结合蛋白和调节性RNA通过与特定信息结合并招募降解因子（包括CCR4-NOT复合物）来促进mRNA降解，CCR4-NOT复合物通过去除mRNA的poly(A)尾使其不稳定。

最近有研究表明，当翻译效率低下时，CCR4-NOT复合物也可以直接募集到核糖体。具体而言，当核糖体遇到含有有限同源tRNA的密码子（非最优密码子）时，它可能会以空的A位点（A-site）和E位点（E-site）的构项暂停下来。这使得CCR4-NOT复合物的一个亚单位CNOT3与空的E位点结合，从而促进mRNA的降解和加速周转。

对人HEK293T细胞中与CNOT3结合的核糖体相关的mRNA印记进行高通量测序发现，在A位点缓慢解码的密码子的存在并不是核糖招募CNOT3的强信号。相反，P位点的特定精氨酸密码子（CGG、CGA和AGG）与CNOT3的招募高度相关，而其他密码子（包括指定天冬酰胺、赖氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸和苏氨酸的密码子）则从结合CNOT3的核糖体的P位点被消耗。

mRNA半衰期的测量和mRNA密码子含量的分析表明，编码线粒体核糖体蛋白的mRNA高度富集了CNOT3相关的精氨酸密码子，因此，CCR4-NOT复合物是一个强大的线粒体翻译和质量的负调控因子。

研究团队表示，由于线粒体相关mRNA受这种新发现的mRNA降解机制的影响最为严重，将来有望利用这种降解机制来治疗某些遗传性线粒体疾病以及其他线粒体发挥关键作用的疾病（例如肥胖症和癌症）。

为了研究P位点密码子身份如何调控CNOT3招募，研究团队对含有CGG精氨酸密码子的CNOT3结合的核糖体进行了冷冻电镜分析，结合tRNA和CNOT3的突变，产生的高分辨率冷冻电镜结构揭示了P位点tRNA在CNOT3招募中的核心作用。

核糖体的分子模型（蓝色和黄色），CCR4-NOT复合物的一部分（绿色）结合在E-位点，识别P-位点的特异性精氨酸tRNA（橙色）。

具体来说，CNOT3进入空的E位点，与P位点tRNAArg,CCG的D臂（D-arm）形成氢键相互作用。这些促进CNOT3募集的相互作用依赖于解码CGG、CGA和AGG的精氨酸tRNA中罕见的U13:A22:A46三联体的存在。此外，解码从CNOT3结合核糖体中缺失的密码子的tRNA通常在D环（D-loop）中含有一个额外的核苷酸，该核苷酸与CNOT3发生空间冲突，从而阻止其募集。

P位点tRNA控制着CCR4-NOT复合体向翻译中的核糖体的募集。缓慢解码导致核糖体具有空的A位点和E位点，为CNOT3进入E-位点并探测P-位点tRNA提供了机会,精氨酸特异性tRNA稳定CNOT3的募集并促进mRNA的降解，而其tRNA在空间上阻断CNOT3的结合，使mRNA能够继续翻译。

总的来说，该研究揭示了tRNA除了在mRNA解码中发挥经典作用外，还参与了翻译中的核糖体招募转录调控因子，从而促进mRNA降解，加速其周转。研究团队提出了P位点tRNA介导的mRNA降解（P-site tRNA–mediated mRNA decay）来描述这种mRNA加速周转的新机制。

这些发现进一步揭示了RNA稳态失衡如何导致细胞衰老和相关疾病。随着年龄的增长，细胞内的RNA外切酶复合体活性逐渐下降，导致RNA代谢异常和细胞功能受损。这种稳态失衡不仅影响基因表达和蛋白质合成，还可能引发一系列与衰老相关的病理变化。

研究表明，RNA外切酶复合体关键成分的突变与人类的严重神经障碍和早衰症相关。例如，EXOSC2、EXOSC3和EXOSC8等外切体关键成分的突变会导致严重的神经发育缺陷和早衰症状。这些发现提示我们，维持细胞核RNA稳态对于预防和治疗衰老相关疾病具有重要意义。

沈晓骅团队的研究为我们深入理解细胞核功能的最新科研进展提供了宝贵线索。通过揭示RNA外切酶复合体在维持细胞核RNA稳态中的关键作用，这项研究不仅拓展了我们对细胞代谢调控机制的认识，还为开发针对衰老相关疾病的新型治疗策略提供了潜在靶点。

未来，随着对细胞核RNA稳态调控机制的进一步研究，我们有望发现更多与衰老相关的分子靶标，开发出更有效的抗衰老药物和治疗方法。这些突破将为提高人类健康寿命、延缓衰老进程带来新的希望。