3　RBM3与神经元保护作用

低温被广泛应用在改善新生儿缺血缺氧性脑损伤、成人的脑外伤治疗和心搏骤停后的脑复苏治疗。在自然界中,很多动物可以通过冬眠来抵御严寒。冬眠过程中,低体温是其主要特点之一,并发挥着重要作用。当体温降低时,生物体器官、组织和细胞代谢降低,蛋白质合成总量下降;但有一类蛋白合成明显增加,此类蛋白被称作“冷休克蛋白”(cold shock proteins,CSPs),它可能是低温保护作用的机制之一。CSPs在动物、植物和微生物细胞中表达且种类较多,但在哺乳动物中研究较多的是冷诱导RNA结合蛋白(cold inducible RNA-binding protein,CIRP)和RNA结合基序蛋白3(RNA binding motif protein3,RBM3)。CIRP近来被认为是一种炎症相关性分子,敲除小鼠的CIRP基因,可减轻其脑缺血损伤。RBM3是在哺乳动物细胞中发现的重要冷休克蛋白,具有增加细胞蛋白质合成、抗凋亡和促进增殖的功能,可促进神经退行性病变患者的神经元突触结构重塑,还可能与低温对缺血缺氧损伤的保护作用有关。本文主要介绍RBM3的结构特征、在细胞中的功能和对神经元的保护作用,为以后RBM3保护作用机制的进一步研究提供指导作用。

一、RBM3的结构

RBM3基因定位于X染色体长臂11.2位点,是一种X染色体关联RBM基因,另外还有RBMX和RBM10。RBM3蛋白结构与其他CSPs具有相似性,含有156个氨基酸,氨基末端是一个RNA结合域共同序列(consensus sequence RNA-binding domain,CS-RBD),此结构在不同物种之间高度保守,主要由核糖核蛋白1(ribonucleoprotein1,RNP1)和核糖核蛋白2(ribonucleoprotein2)两个序列组成,前者为八聚体,后者为六聚体,可以与核糖体和其他RNA结合。RBM3蛋白可通过CS-RBD与RNA或DNA结合,调节蛋白质的转录和翻译。羧基末端是一个富含甘氨酸区域,含有精氨酸、甘氨酸和络氨酸重复子(RGG),具体功能尚不清楚,但在细菌和牛羊类的哺乳动物RBM3蛋白中没有RGG序列表达。RBM3的结构示意图,见图1。

二、RBM3的表达

1997年,Danno等首次在人类胎儿脑组织中分离出RBM3,之后又证实其可在HepG2、HeLa、K562、NC65和T24多种细胞系中表达,表达程度在32～39℃间与温度呈负相关。虽然在人工冬眠的深低温(16～18℃)状态下仓鼠脑中RBM3的表达量增加,但治疗性低温(32～34℃)下RBM3表达即可达到高峰。不仅低温可以诱导RBM3的表达,2004年Wellmann等发现缺氧、缺血和紫外线照射的条件下RBM3在人白血病细胞系中的表达也会明显增加。与CIRP不同,RBM3并非在所有组织细胞中均有表达,在神经元、睾丸、胎盘、胰腺和肾上腺组织细胞中高效表达,在心肌和甲状腺组织细胞中不表达。同一细胞系中,相同条件下RBM3与CIRP的表达量和比例有所不同,提示RBM3与CIRP的功能有重叠但也并非完全相同。RBM3在新生大鼠脑中广泛表达,出生后第二周达到高峰;在成年大鼠脑的多个脑区也有表达,小脑和嗅球表达水平最高。在神经元中,RBM3主要定位在细胞核和树突的各种小颗粒中。

三、RBM3的功能

体温每下降1℃,基础代谢率下降6%,生物体内总蛋白合成下降,而RBM3可促进低温状态下的蛋白合成。Dicer酶是细胞中调节(microRNA,miRNA)剪切和生成的重要合成酶,RBM3可阻断抑制Dicer酶复合物形成的内源性途径,提高细胞中miRNA生成率。另外,RBM3还参与核糖体翻译复合物的形成,作为mRNA的分子伴侣,稳定mRNA结构。

在多种类型肿瘤细胞中RBM3表达增加,促进肿瘤细胞增殖作用,抑制肿瘤细胞线粒体损伤引起的凋亡。其他增殖的非恶性肿瘤细胞中,如成纤维细胞、人肾胚细胞(HEK293)和肌细胞中,RBM3也可促进细胞存活。

四、RBM3与神经元保护

冷刺激、缺血缺氧和蛋白合成受抑制条件下可诱导神经元RBM3合成[11,19,20]。因此,RBM3可能在细胞蛋白合成受抑制时增加mRNA的翻译和蛋白质的合成;在细胞受到有害刺激时,减少细胞的凋亡事件的发生。

(一)维持细胞蛋白合成

蛋白质生物合成亦称为翻译(translation),即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序的过程。蛋白质生物合成可分为5个阶段,氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。

在N2a细胞中,RBM3与核糖体60S亚基紧密结合,促进起始复合物形成,增加蛋白合成起始速率;RBM3过表达减少了细胞中miRNA和与miRNA结合的mRNA数量;还减少了核糖体与miRNA复合体的数量,增加了蛋白合成速率。除了减少miRNA来增加核糖体的激活增加蛋白合成以外,RBM3还可能通过其他途径增加细胞中蛋白质翻译。RBM3参与构成了含有HuR蛋白的复合体,此复合体上HuR蛋白可与mRNA上富AU元件结合,进而增加mRNA稳定性和翻译速率。与RBM3具有较高同源性的冷休克蛋白CIRP,在非洲蟾蜍细胞中抑制富AU元件的mRNA去腺苷化,增加细胞蛋白的翻译。RBM3可能通过类似的途径增加细胞中蛋白合成。

浅低温条件下,动物机体总蛋白合成率下降,而冷休克蛋白RBM3合成增加,RBM3可以增加机体蛋白合成,防止低温导致蛋白合成率过度下降。在2007年Smart等[16]发现在神经元中过表达RBM3可以增加神经元的整体翻译水平。

神经元的翻译过程受到多种mRNA结合蛋白(mRNA-binding proteins,mRNABPs)调控,mRNABPs可以通过影响mRNA的运输、稳定、肽链合成起始和延长,调节神经元中的蛋白翻译过程。RBM3属于mRNABPs中的一种。在神经细胞中根据是否含有精氨酸残基,RBM3蛋白可以分为2种亚型。不含精氨酸残基的RBM3,神经元树突表达较多,可能与mRNA从细胞核向树突的运输和树突局部的蛋白质翻译有关。两种亚型的RBM3都明显增加神经元中的蛋白合成。

突触结构可塑性是指健康成人或动物脑中突触不断清除和形成的重塑过程。16℃低温可以延缓阿尔兹海默症小鼠(5XFAD)和朊病毒感染小鼠病情发展,减慢突触数量减少的速度;常温下,通过病毒转染在5XFAD小鼠和朊病毒感染小鼠神经元中过表达RBM3可以得到相同结果;16℃低温下,通过shRNA抑制RBM3的表达后RBM3的突触保护作用消失。因此,低温对于神经退行性病变的治疗作用可能与低温诱导RBM3的表达密切相关。RBM3可能对神经退行性病变起到保护性治疗作用。RBM3提高突触结构可塑性可能与其增加神经元树突部位蛋白合成有关。RBM3在神经元树突高表达,与核糖体和mRNA结合,可受磷酸化调节,以此影响突触部位蛋白质合成,这可能也是其保护突触结构可塑性的机制之一。

(二)抑制神经元凋亡

2011年Chip S等发现,32℃浅低温增加小鼠初级神经元、PC12细胞和皮层细胞中的RBM3的表达,并且抑制caspase-3的活性进而抑制神经元的凋亡;当干扰RBM3的表达后,低温的神经保护作用大大减弱;非低温条件下,定向过表达RBM3后,可以抑制小鼠初级神经元、PC12细胞和皮层细胞中多聚谷氨酰胺介导的凋亡,减少了神经元核蛋白的裂解、DNA碎片和LDH的释放。另外,RBM3可能抑制脊髓外伤损伤后的神经元凋亡和促进胶质细胞增生。在脊髓外伤(spinal cord injury,SCI)模型中,神经元中RBM3的表达量与受损神经元中caspase-3表达,SCI后24h同时达到高峰。细胞中抗凋亡和促凋亡因素失衡,导致神经元的凋亡,RBM3可能作为SCI后神经元中的抗凋亡因素,抑制细胞凋亡。

除此之外,RBM3还参与调节神经元中内质网应激凋亡通路。神经元凋亡是神经元损伤后死亡的主要方式之一,根据引起凋亡的通路不同,常见的凋亡方式有线粒体途径凋亡、内质网应激凋亡和死亡受体凋亡。敲除RBM3基因的小鼠在受到各种损伤刺激时相对于野生型小鼠,神经元更容易发生内质网应激凋亡。2015年,Zhu等在成纤维细胞和人肾胚细胞(HEK293)中证实了,RBM3与核因子NF90结合,抑制细胞内内质网应激perk-eif2α-chop通路,减少了细胞的凋亡。

五、结语

RBM3蛋白是哺乳动物细胞中发现的重要冷休克蛋白,具有促进细胞增殖。RBM3基因作为潜在的原癌基因被广泛研究,在神经元中还结合mRNA维持其稳定性并促进翻译;与核糖体结合提高翻译效率,增加神经元中蛋白合成。RBM3不仅在神经元缺血缺氧应激中,具有抗凋亡和促进增殖的功能,而且还在增加神经元的结构可塑性方面起到重要作用,这可能为临床治疗神经退行性病变提供新的靶点。深入研究RBM3具体作用机制,具有重要的临床指导意义。

(仲浩　段满林)

参考文献

1.Zhang HT,Xue JH,Zhang ZW,Kong HB,Liu AJ,Li SC,et al.Cold-inducible RNA-binding protein inhibits neuron apoptosis through the suppression of mitochondrial apoptosis[J].Brain Research.2015,1622.

2.Godwin A,Yang WL,Sharma A,Khader A,Wang Z,Zhang F,et al.Blocking cold-inducible RNA-binding protein protects liver from ischemia-reperfusion injury[J].Shock.2015,43(1):24-30.

3.Qiang X,Yang WL,Wu R,Zhou M,Jacob A,Dong W,et al.Cold-inducible RNA-binding protein(CIRP)triggers inflammatory responses in hemorrhagic shock and sepsis[J].Nature medicine.2013,19(11):1489-95.

4.Mian Z,Weng-Lang Y,Youxin J,Xiaoling Q,Ping W.Coldinducible RNA-binding protein mediates neuroinflammation in cerebral ischemia[J].Biochimica et biophysica acta.2014,1840(7):2253-61.

5.Li S,Zhang Z,Xue J,Liu A,Zhang H.Cold-inducible RNA binding protein inhibits H2O2-induced apoptosis in rat cortical neurons[J].Brain Research.2012,1441(3):47-52.

6.Diego P,Amandine B,Helois R,Nicholas V,Colin M,Maria Guerra M,et al.RBM3 mediates structural plasticity and protective effects of cooling in neurodegeneration[J].Nature.2015,518(7538):236-9.

7.Chip S,Zelmer A,Ogunshola OO,Felderhoff-Mueser U,Nitsch C,Bührer C,et al.The RNA-binding protein RBM3 is involved in hypothermia induced neuroprotection[J].Neurobiology of Disease.2011,43(11):388-96.

8.Chaikam V,Karlson DT.Comparison of structure,function and regulation of plant cold shock domain proteins to bacterial and animal cold shock domain proteins[J].Bmb Reports.2010,43(1):1-8.

9.Sauer IM,Bührer C,Berger F,Schmitt K.Effects of moderate and deep hypothermia on RNA-binding proteins RBM3 and CIRP expressions in murine hippocampal brain slices[J].Brain Research.2013,1504(1):74-84.

10.Pilotte J,Cunningham B,Gm,Vanderklish P.Developmentally regulated expression of the cold-inducible RNA-binding motif protein 3 in euthermic rat brain[J].Brain Research.2009,1258:12-24.

11.Loffreda A,Rigamonti A,Barabino SM,Lenzken SC.RNABinding Proteins in the Regulation of miRNA Activity:A Focus on Neuronal Functions[J].Biomolecules.2015,5(4):2363-87.

12.Lleonart ME.A new generation of proto-oncogenes:Coldinducible RNA binding proteins[J].Biochimica Et Biophysica Acta.2010,1805(1):43-52.

13.Zhu X,Zelmer A,Kapfhammer JP,Wellmann S.Cold-inducible RBM3 inhibits PERK phosphorylation through cooperation with NF90 to protect cells from endoplasmic reticulum stress[J].FASEB journal:official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology.2015.

14.Holtmaat A.Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain[J].Nature Reviews Neuroscience.2009,10(10):759.

15.Cui Z,Zhang J,Bao G,Xu G,Sun Y,Wang L,et al.Spatiotemporal profile and essential role of RBM3 expression after spinal cord injury in adult rats[J].Journal of molecular neuroscience:MN.2014,54(2):252-63.

16.Wei Z,Dawei X,Gang C,Xinhui Z,Ming Q,Wei L,et al.Spatiotemporal pattern of RNA-binding motif protein 3 expression after spinal cord injury in rats[J].Cellular & Molecular Neurobiology.2014,34(4):491-9.