NAR | Polysome profiling应用：核糖体质量控制能减轻5FU诱导的核糖体碰撞产生的细胞毒性

导读

5-氟尿嘧啶（5FU）是常用的化疗药物，广泛应用于结直肠癌、胰腺癌、乳腺癌和头颈癌等实体瘤。

5FU是一种嘧啶类似物，进入细胞后转化为三种活性代谢物：FdUMP（抑制胸苷酸合成酶）、FdUTP（错误掺入DNA）和FUTP（错误掺入RNA）。

FUTP的掺入使RNA中5FU代谢物的积累比DNA多3000至15000倍，导致异常RNA生成、转录后修饰异常、核糖体生成或功能改变及翻译事件异常。然而，RNA依赖的5FU细胞毒性机制仍不明确。

真核mRNA翻译过程分为起始、延伸和终止三个阶段。起始阶段由5' m7GpppN帽结构和真核起始因子4F复合体协助，后者招募43S预起始复合体（PIC），形成48S PIC，扫描5' UTR直至识别起始密码子。

合成正确折叠的蛋白质对于维持体内平衡至关重要。核糖体在翻译过程中可能因损伤或修饰的核苷酸而停滞，导致核糖体碰撞，进而引发蛋白质聚集和细胞毒性。

核糖体质量控制（RQC）机制能检测碰撞并清除异常mRNA和新生肽链，但其功能失调则可能导致细胞死亡。尽管在RQC的分子机制上已有进展，但对其在抗癌治疗中对RNA代谢的影响了解仍然有限。

2024年10月1日，英国女王大学Seyed Mehdi Jafarnejad团队在Nucleic Acids Research上发表了一篇题为“Ribosome Quality Control mitigates the cytotoxicity of ribosome collisions induced by 5-Fluorouracil”的论文，发现5FU治疗后，细胞mRNA翻译发生重编程，包括mTORC1信号激活、翻译起始率增加和核糖体碰撞增多，而RQC通过解决碰撞的核糖体减轻5FU引发的细胞死亡。

索引

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研究结果

一. 5FU治疗增强了整体mRNA翻译

近期研究表明，5FU处理可能下调mRNA翻译，但这些研究主要集中在超过24小时的影响，作者推测长期暴露可能掩盖5FU对翻译的真实影响。

研究显示，短期（<12小时）5FU处理提高了蛋白质合成速率，而长期处理（48小时）则略微降低。

作者利用Polysome profiling多聚核糖体分析发现，5FU处理后8小时内mRNA与核糖体结合增强，表明翻译活跃。

5FU还快速（<1小时）诱导了mTORC1活性标志物RPS6和4E-BP1的磷酸化，但未激活综合应激反应（ISR）。这些结果表明，5FU通过激活mTORC1通路快速增强全局mRNA翻译。

二. RQC机制解决了5FU引发的核糖体碰撞问题

作者假设5FU增强的mRNA翻译速率和其对异常RNA、转录后修饰、核糖体功能和异常翻译事件的影响，会导致核糖体碰撞并激活RQC机制。

在5FU处理后，核糖体小亚基蛋白eS10单泛素化增加，这是核糖体碰撞和RQC激活的标志，在ZNF598缺失（RQC缺陷）细胞中，这一效应消失。

尽管ZNF598缺失细胞在5FU处理后mRNA-核糖体结合增加，但蛋白质合成却减少，表明RQC缺陷细胞无法解决5FU诱导的核糖体碰撞，导致停滞核糖体积累，蛋白质合成受阻。

作者通过MNase消化后再次进行Polysome profiling多聚核糖体分析，进一步证明ZNF598缺失细胞在5FU处理后累积了更多的核糖体碰撞（核糖体双体和三体），而野生型细胞则能通过RQC机制解决这些碰撞。

三. ZNF598缺失增加癌细胞对5FU的敏感性

ZNF598缺失增加了细胞对5FU的敏感性，导致细胞生长减慢，凋亡增加，并激活核毒性应激反应。

ZNF598-KO细胞对FUTP（RNA错误掺入）的敏感性更强，表明RQC机制在应对5FU引起的RNA毒性中起到保护作用。

四. 抑制翻译起始可减少5FU引发的核糖体碰撞，并降低细胞对RQC的依赖

之前的观察显示，5FU处理增加了mRNA翻译起始和mTORC1活性。已知增加翻译起始可能加剧核糖体碰撞，因为尾随的核糖体会与停滞的核糖体相撞。

通过mTOR抑制剂Torin-1阻断mTOR活性，Polysome profiling多聚核糖体分析结果表明其减少了5FU引发的eS10泛素化和核糖体碰撞，mTOR抑制还降低了ZNF598缺失细胞对5FU的敏感性。

使用翻译起始抑制剂4EGI-1后，Polysome profiling多聚核糖体分析也证实了这一结果，减少了核糖体碰撞并缓解了ZNF598缺失细胞的5FU敏感性。这表明，5FU增加的翻译起始速率导致核糖体碰撞和细胞死亡，阻断mTOR或翻译起始可减少这一风险并减轻RQC的需求。

五. 5FU通过mTOR介导上调关键RQC因子ZNF598和GIGYF2

5FU可显著上调核糖体碰撞相关因子ZNF598和GIGYF2的表达，这一过程由mTOR信号通路调控，且不依赖于其RNA或DNA的掺入，mTOR抑制剂Torin-1能抑制这种上调。

ZNF598和GIGYF2的快速增加有助于细胞应对5FU引发的核糖体碰撞，减少细胞毒性。尤其在结直肠癌中，这些因子的高表达可能缓解了5FU治疗带来的不良影响。

总结

本文发现核糖体质量控制（RQC）能防止核糖体碰撞带来的细胞毒性。RQC缺陷加重5FU引起的细胞死亡，但抑制mTOR或翻译起始可减轻这种毒性。5FU还通过mTOR依赖机制上调RQC因子ZNF598和GIGYF2的表达，从而降低核糖体碰撞的毒性影响。

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