Cell | 核糖体应激驱动紫外线诱导的细胞死亡

导读

细胞通过信号级联调控基因表达和激活压力反应来应对环境变化。当无法解决压力时，细胞会触发程序性细胞死亡以防止损害。核糖体作为主要的压力传感器，激活决定细胞命运的信号通路。

A ）在无压力状态下，核糖体通过调整mRNA的起始速率维持翻译稳态。

B）然而，核糖体偶尔会遇到由基因表达缺陷或化学损伤引起的问题mRNA，导致核糖体停滞和碰撞，招募质量控制因子降解mRNA和新生肽并拯救停滞的核糖体，但过度碰撞会使核糖体成为信号平台，启动全局性的压力反应。

紫外线诱导DNA和RNA损伤，激活DNA损伤反应（DDR）和核糖体毒性压力反应（RSR）：

1）紫外线辐射诱导DNA损伤并激活DNA损伤反应（DDR）通路，导致复制叉停滞并激活ATR和CHEK1以解决复制压力并维持基因组完整性。

2）紫外线还通过光化学反应引起RNA损伤，导致核糖体在富含嘧啶的损伤密码子上停滞。

早期研究表明，核糖体毒性压力激活p38和JNK MAPK。随后研究确定ZAKα（简称ZAK）是响应核糖体毒性压力的上游MAPK激酶激酶（MAP3K），并且紫外线诱导的翻译功能障碍也与GCN2和ISR（综合压力反应）激活有关。

该团队之前研究表明，核糖体碰撞直接激活ZAK和GCN2激酶，ZAK与延伸核糖体结合并在碰撞时激活，随后激活p38和JNK以触发细胞周期停滞和凋亡。碰撞还激活GCN2，导致eIF2α磷酸化和通过ISR抑制全局蛋白质合成。

虽然这些研究揭示了碰撞的核糖体激活RSR和ISR通路，但未能明确细胞如何通过整合ZAK和GCN2通路来协调对碰撞的测量和响应以确定细胞命运。

2024年6月5日，约翰霍普金斯大学医学院分子生物学与遗传学系Rachel Green团队在Cell上发表了一篇题为“The ribotoxic stress response drives UV-mediated cell death”的论文，文章发现紫外线引发的即时核糖体毒性压力反应主要由ZAK信号驱动，并通过GCN2和ZAK自磷酸化降解等负反馈机制调控，确保细胞对压力的受控响应。

文章索引

【标题】The ribotoxic stress response drives UV-mediated cell death

【发表期刊】Cell

【发表日期】2024年6月5日

【作者及团队】约翰霍普金斯大学医学院分子生物学与遗传学系Rachel Green团队

【IF】66.85

研究结果

一. 紫外线辐射的即时早期反应主要由核糖体介导的信号传导主导

作者研究了紫外线（UV）辐射引起核糖体碰撞的能力，并将其与放线菌素D（ANS）进行了比较。

UV处理使作者能够监测细胞从瞬时应激中恢复的动态变化。研究发现，ANS和UV-C处理均增加了核糖体蛋白eS10的泛素化和ZAK、p38、JNK的磷酸化。

较低强度的UV辐射导致更多细胞在G2期停滞，而较高强度的UV辐射则显著增加了凋亡。核糖体碰撞在UV处理后几分钟内累积，并在数小时内清除。

总之，UV辐射引起的核糖体介导信号在早期反应中起关键作用，细胞对UV的反应表现为显著的时间动态变化。

二. ZAK和GCN2定义了细胞对紫外线应激反应的即时早期磷酸化蛋白质组

作者研究了ZAK和GCN2在紫外线应激下对蛋白质磷酸化的影响。结果显示，ZAK通过p38和JNK信号通路调节核糖体质量控制和其他关键蛋白的磷酸化。

GCN2也调节了UV响应中的磷酸化事件，影响了p38信号通路。

此外，他们发现ZAK介导的响应和ATR介导的DNA损伤响应在细胞中是独立的。

三. 紫外线诱导的细胞死亡是通过ZAK途径介导的，而不是通过DDR途径

ZAK介导的RSR和ATR介导的DDR之间缺乏交叉联系。ZAK抑制阻断了p38和JNK的磷酸化，ATR抑制阻断了CHEK1的磷酸化。

细胞对UV的反应中，ZAK主要驱动细胞凋亡。ZAK抑制剂使细胞对UV诱导的凋亡和生长抑制产生了抵抗力，效果超过了ATR和CHEK1抑制剂。

四. GCN2通过限制核糖体负载来防止ZAK介导的细胞死亡

作者的磷酸蛋白组学数据表明GCN2通过磷酸化eIF2α和抑制mTOR活性限制核糖体的起始翻译，防止受损mRNA导致的碰撞核糖体的积累。

在DGCN2细胞中，他们观察到持续的高水平JNK活性，但p38活性增加最小。DGCN2细胞对UV的敏感性增加，主要是因为其导致的凋亡水平显著增加，可以通过ZAKi或JNKi逆转。

五. ZAK的自磷酸化调节核糖体的解离和之后的降解

ZAK的降解发生在激活后，涉及多种磷酸化位点。初始激活包括Thr-161和Ser-165的自磷酸化。

UV处理后，野生型ZAK从多核糖体解离，而激酶失活突变体和Cluster 2磷酸突变体仍然结合。

ZAK的降解通过CRL1 Cullin-RING连接酶介导的泛素-蛋白酶体途径完成，这些结果表明核糖体介导的激活对降解至关重要。

六. ZAK降解在持续核糖体毒性应激条件下限制细胞凋亡并诱导耐受

磷酸突变体（S-A）在基础条件下显示轻度过度活跃和JNK磷酸化升高。UV处理后，WT细胞显示ZAK、p38和JNK磷酸化增加，而激酶失活变体无此现象。

ANS预处理使WT细胞对后续UV无JNK反应，而磷酸突变体表现强烈反应，表明ZAK周转使细胞耐受持续应激。

中等核毒性应激下的ZAK降解减少了随后应激暴露的细胞凋亡，突变体凋亡增加，生长受阻。ZAK降解限制凋亡并在持续应激下促进耐受性。

总结

紫外线辐射不仅损害DNA，还会损害RNA，触发核糖体碰撞和核糖体应激应答（RSR）。本文发现紫外线诱导的细胞凋亡是通过RSR激酶ZAK介导的，而非DDR。GCN2限制核糖体碰撞并减弱RSR，ZAK活性导致其自身降解，调节了细胞对RNA损伤的响应，凸显了ZAK作为细胞防护者的重要性。

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