今天跟大家分享的是发表在International Journal of Biological Sciences(IF: 4.8577)上的一篇关于富丝氨酸/精氨酸剪接因子(serine/arginine-rich splicing factors, SRs)的综述性文章。众所周知,可变剪接(Alternative Splicing,AS)指从一个mRNA前体中通过不同的剪接方式(选择不同的剪接位点组合),从而产生不同mRNA剪接异构体的过程,是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制。剪接因子主要分为两大类,一类是富含丝氨酸(S)或精氨酸(R)的蛋白(即SR蛋白),主要起激活作用;另一类是核内不均一核糖核蛋白(hnRNPs),主要起抑制作用。在今天的这篇文章中,我们将对SRs的结构,在转录,m6A修饰等过程中发挥作用以及与癌症和抗肿瘤治疗之间关系等进行简要介绍。
Serine/arginine-rich splicing factors: the bridge linking alternative splicing and cancer
富丝氨酸/精氨酸剪接因子:连接可变剪接和癌症的桥梁
富丝氨酸/精氨酸剪接因子(serine/arginine-rich splicing factors, SRs)属于富丝氨酸精氨酸蛋白家族,通常由12个成员组成(SRSF1–12),在前体RNA的剪接过程中发挥关键作用。SRs可以识别前体RNA上的剪接元件,招募并组装剪接体,促进或抑制剪接事件的发生。在肿瘤中,SRs的异常表达往往会导致RNA的异常剪接,促进肿瘤细胞的增殖、迁移和凋亡抗性。本文主要对SRs在各种肿瘤中的重要作用进行回顾,还对基于SRs家族成员识别癌症治疗潜在靶点所面临的挑战和前景进行讨论。
1.SRs的结构
SRs是富含丝氨酸/精氨酸的剪接因子,在动植物中非常保守。SRs最早于20世纪90年代初被发现,是影响Hela细胞选择性剪接的必要剪接因子。SRs由12个具有相似结构域的成员组成(SRSF1–12),点是在N端至少存在1个或2个RNA识别结构域(RRM结构域),C端富含精氨酸(R)和丝氨酸(S)的二肽富集结构域(RS结构域)(图1)。通常,RRM结构域可以识别RNA并确定RNA与SRs的绑定,而RS结构域则介导磷酸化调节的多种蛋白-蛋白和蛋白-RNA相互作用。
图1. SRs的组成与结构
2. SRs的功能
2.1.SRs在前体mRNA剪接中的作用
SRs通常指一个具有共同RNA结合基元的RNA结合蛋白家族,具有独特的RS结构域,在结构剪接功能和选择性剪接功能中都发挥着重要作用。在剪接反应中,SRs结合外显子剪接增强子(ESE),招募小核核糖核蛋白(snRNP)及其辅因子到剪接位点。接着,SRs促进U2 snRNA结合到pre-mRNA的分支点区域形成复合物A,它们还通过与U2AF和U1 70K结合,形成跨越剪接位点的桥接复合体,从而促进U4/U5/U6 snRNP的招募,形成复合体B (图2)。此外,SRs在pre-mRNA位点的位置影响剪接结果。比如说在外显子结合的SRs作为增强子,但内含子结合的SRs可能作为抑制子。因此,SRs-pre-mRNA相互作用的位置影响剪接位点的选择和剪接体的组装。
图2. SRs在可变剪接过程中的功能
2.2.SRs在转录过程中的作用
大量研究表明SRs几乎在RNA代谢的所有过程中都发挥关键作用。除RNA剪接过程调控外,SRs在转录调控过程中也起到重要作用(图3)。SRs主要集中在核斑点上,进而被招募到由RNA聚合酶II (Pol II)转录的新生转录本中。已有报道称SRs相关蛋白与Pol II的C端结构域相互作用,并且在Pol II复合物中也发现SRs,这说明SRs可能有助于转录延伸。进一步研究表明SRSF2可以动态桥接P-TEFb和Pol II,进而催化Pol II在C端区域的磷酸化,促进基因的转录延伸。此外,SRs的共转录复合物有助于基因组的稳定性,可以防止R环的形成。
图3. SRs在转录过程中的作用
2.2.SRs在m6A修饰转录本剪接中的功能
m6A是最普遍的RNA内部修饰,可以影响RNA剪接等生物过程的各个方面(图4)。m6A修饰是由METTL3,WTAP等RNA甲基转移酶催化(writer), FTO和ALKBH5等eraser去除,被YTH结构域蛋白和IGF2BPs等m6A结合蛋白(reader)识别。甲基化相关分子通常位于核斑点中,并与参与调控剪接过程的剪接因子相互作用。因此,m6A的动态变化可以影响许多RNA的水平。最近的一些研究表明,ALKBH5下调可以影响剪切因子SRSF1、SRSF2、SRPK1的分布。FTO通过招募SRSF2介导RUNX1的剪接;YTHDC1通过招募pre-mRNA剪接因子SRSF3,阻断SRSF10结合到m6A位点附近区域的,促进靶向mRNA的exon inclusion,最终由m6A修饰失败导致外显子跳跃。另一份研究也表明,敲低METTL3可以通过调控剪接促进MyD88亚型的形成。
图4. SRs影响m6A修饰的可变剪接过程
3. SRs与癌症
肿瘤的发病机制是复杂并且由多种因素影响的。SRs是pre-mRNA剪接的主要调控因子,SRs的异常表达极大地破坏了DNA的稳定性和蛋白质的正常表达模式,从而导致生物学功能异常,这表明SRs在癌症中起着至关重要的作用。例如SRSF1在体内的缺失可以诱导DNA双链断裂和DNA重组;SRSF2在小鼠胚胎成纤维细胞中缺失可通过部分调节p53过磷酸化和过乙酰化来诱导双链断裂和G2/M细胞周期阻滞。事实上,已经有一系列实验表明,SRs在人类癌症中异常表达,参与肿瘤发生和肿瘤转移。图5展示出一系列SR蛋白在癌细胞扩增,凋亡等过程中发挥的关键作用,红色箭头代表促进,绿色箭头代表抑制。
图5. SRs与癌症发生发展
3. 1.SRs的异常表达和癌症
越来越多的证据表明,SRs的异常表达与肿瘤发生之间的关系主要是由于关键基因的可变剪接模式改变决定的。据报道,在多种癌症中,SRs的拷贝数显著增加与SRs在癌症中表达上调有关。例如,在肺癌、结肠癌和乳腺癌中均发现SRSF6扩增;Jiang 等人的研究表明SRSF1 DNA拷贝数扩增,mRNA过表达与预后较差密切相关,并进一步证明SRSF1在SCLC(小细胞肺癌)的肿瘤发生,DNA修复和化疗敏感性中发挥重要作用。此外,SRSF1通过调控PI3K/AKT和MEK/ERK信号通路(众所周知的致癌信号通路)促进SCLC生长和生存。SRs的表达上调通常与癌症进展相关,如SRSF1、SRSF2和SRSF3在恶性卵巢组织中的表达相对于正常组织显著上调。Park WC等发现SRSF7在胃癌组织中的表达高于正常胃组织。Song等也观察到NSCLC组织中SRSF7表达水平上调,同时SRSF7表达水平与miR-374b-5p呈现负相关,与MALAT1呈现正相关。SRSF7过表达可以逆转MALAT1敲低对NSCLC细胞增殖、凋亡和侵袭的影响。其他SRs,如SRSF3、SRSF5、SRSF6等也被发现在结直肠癌组织中的表达水平显著高于正常组织。
SRs的异常表达常导致上皮-间充质转化、转移和血管生成等癌相关过程的改变。Kong等发现SRSF6促进结直肠癌的EMT和转移过程,并发现SRSF6的下调显著增加SW620细胞中E-cadherin的表达,降低Snail、Vimentin、Fibronectin和MMP9的表达。其他SRs,如SRSF6,SRSF1等也被分别发现与结直肠癌的侵袭转移,胶质瘤细胞的增殖转移等过程有关,在此我们就不一一列举(表1)。
表1. SRs的异常表达和癌症
3.1.2.SRs的剪接功能与癌症
大多数基因经历选择性剪接,选择性剪接产生的亚型与癌症的进展和转移密切相关,如MDM2、BCL(X)和VEGF基因的剪接亚型与癌症发生和抗凋亡能力有关。在肿瘤细胞中,SRs引起许多肿瘤相关基因的剪接异常,影响细胞增殖、凋亡和迁移,从而促进肿瘤发生和肿瘤发展。比如说,Karni R等发现SRSF1蛋白的上调增加了BIN1 (bridging integrater -1)的剪接亚型。由此产生的BIN1亚型不能与癌蛋白MYC结合,导致BIN1蛋白缺乏肿瘤抑制活性。另外,其他研究表明SRSF1的异常表达在前列腺癌,肺癌等多种癌型中对其他肿瘤相关基因的可变剪接造成影响,从而对肿瘤的发生发展,凋亡增殖等过程造成影响。
最近的一项癌症全基因组分析表明SRs的突变可能影响癌症中的异常剪接。如SRSF2在 40% -50%的慢性粒单核细胞白血病患者中发生突变,其错义突变高度集中在P95残基上,也有少量集中在G93 ~ P107残基周围。SRSF2可与C和G富集的外显子剪接增强子(ESEs)基序结合,促进剪接过程。突变体SRSF2优先识别C富集的 CCNG ESE基序,并导致许多mRNA的选择性剪接。例如,SRSF2突变改变骨髓肿瘤中EZH2 mRNA的剪接。异常的EZH2 mRNA诱导NMD (nonsense-mediated decay),并导致EZH2蛋白和组蛋白H3赖氨酸27三甲基化水平下调。
3.1.3.SRs的翻译功能与癌症
SR蛋白可以直接调控mRNA的翻译。Sanford JR等人报道,SRSF1可以在HeLa cell-free翻译系统和爪蟾卵母细胞系统中刺激翻译。SRSF1作为一个适配器蛋白,可以招募mTORC1或PP2A到其结合的mRNA上,并增加4E-BP1的磷酸化水平。磷酸化的4E-BP1不再与促进mRNA翻译起始的eIF4E结合。Karni R等研究也发现SRSF1过表达可激活mTORC1信号通路,导致其下游靶蛋白S6K和4E-BP1磷酸化水平升高,而mTOR特异性抑制剂rapamycin可抑制SRSF1造成的肿瘤发生。此外,SRSF1可以通过增加B-Raf表达来激活Ras-MAPK信号通路,增加细胞转化等。
3.1.4.SRs的翻译后修饰与癌症
SRs中至少有5种转录后修饰,包括甲基化、乙酰化、小泛素相关修饰(SUMO)、泛素化和磷酸化。通过修饰剪接体功能所需的翻译后修饰(PTM)来调节剪接一直是人们关注的焦点,已知多种剪接因子中的PTM调控剪接体的形成和剪接催化。精氨酸甲基化已经在许多RNA结合蛋白上被检测到,如hnRNPs和SRs。SRs的精氨酸甲基化最早见于芽殖酵母的Npl3p上。已经有多项研究表明SRs存在的甲基化、乙酰化等转录后修饰会影响SRs的正常功能,从而促进肿瘤生长和癌症进展。
3.1.5.SRs在癌症中的其他功能
SRs在多个水平上调控RNA的代谢。SRSF1蛋白除参与调控RNA的剪接和翻译外,还参与了RNA的核输出和稳定性。这些功能可能与SRSF1介导的肿瘤发生有关。例如,SRSF1在非小细胞肺癌中高表达。在非小细胞肺癌细胞系中下调SRSF1可促进细胞凋亡的发生,这可能与抗凋亡蛋白survivin下调有关。分析表明SRSF1与survivin mRNA特异性结合,并在多个水平上调控其表达。它不仅依赖于mTOR信号通路促进survivin mRNA的翻译,而且稳定其mRNA水平。临床肿瘤样本分析进一步证实SRSF1与survivin在非小细胞肺癌中存在正相关关系。这些结果为SRSF1相关致癌潜能的mTORC1和survivin依赖机制提供新的依据,并表明SRSF1和survivin的表达参与了NSCLC的进展。另外, SRSF1在乳腺上皮细胞中过表达不仅可以调控BIM和BIN1的选择性剪接抑制凋亡,还可以与癌基因MYC合作促进细胞转化。
3.1.6.SRs与抗肿瘤治疗
由于SRs在RNA代谢中起着重要的作用,在过去的几十年里,越来越多的研究针对剪接体进行抗肿瘤治疗。如上所述,与正常样本相比,癌症样本中的RNA剪接存在广泛的变化,如TP53、BCL (X)和VEGF等已知的促癌和抗凋亡基因。Guyot等报道VEGF亚型VEGF165b的抗血管生成形式可以削弱抗VEGF抗体(贝伐单抗/阿伐斯汀)的治疗作用。这些发现表明,调控特定基因亚型的pre-RNA剪接过程可能作为一种新的癌症治疗策略。最近,一系列研究对针对剪接体的化合物进行研究。比如,Lee SC等人发现,与白血病中携带野生型SRSF2的细胞相比,SRSF2突变型对E7107更敏感,这表明由剪接体突变因子诱发的癌症对这些药物更加敏感。
化疗耐药和放疗耐药是导致癌症治疗失败的主要原因。异常剪接在肿瘤发生中起着关键作用,而SRs在肿瘤化疗和放疗耐药中的参与尚不明确。最近,一项研究发现SRSF1在辐射处理后的肺癌细胞中表达水平升高,而SRSF1的干扰通过调节PTPMT1等癌症相关的剪接,使肺癌细胞对放疗敏感。Maude等报道SRSF4表达下调可以抑制顺铂诱导的大量剪接改变和细胞死亡。
选择性剪接调控也是抗肿瘤治疗的一个关键靶点。SRs被SRPK1和SRPK2 (SRs激酶)、DNA拓扑异构酶I和U4/U6小核糖核蛋白PRP4磷酸化。通过调节SRs磷酸化,靶向参与选择性剪接的激酶的小分子抑制剂是很有前途的药物候选策略之一。比如,Pilch B等发现拓扑异构酶I抑制剂NB-506可以通过控制剪接抑制SRSF1的磷酸化和基因表达。
在今天的文章中,我们主要对SRs的结构,SRs在转录,m6A修饰等过程中发挥的作用,SRs与癌症和抗肿瘤治疗之间的关系等进行简要介绍。最后,让我们来简单总结一下:SRs主要由SRSF1–12组成,在前体RNA的剪接和转录调控过程中发挥重要作用,m6A修饰会影响SRs与pre-mRNA的结合,进而影响外显子跳跃。此外,SRs在多种癌症中存在异常表达,与癌症进展,患者生存和多种抗肿瘤治疗过程息息相关。m6A修饰是这几年的研究热点之一,感兴趣的同学可以尝试探索下m6A修饰与SRs在癌症发生发展中作用哦。