Cell重磅：揭开紫外线导致细胞死亡的作用机制

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

细胞对环境变化的响应能力对于其生存至关重要。细胞对环境扰动的反应依赖于信号转导级联反应，以调节基因表达并激活应激反应程序以恢复稳态。当无法解决应激时，细胞会触发程序性细胞死亡，以防止功能异常的细胞对生物体造成伤害。

紫外线（UV）辐射会破坏DNA，引发DNA损伤反应（DDR），但它也会破坏RNA，引发转录组范围内的核糖体碰撞，并引发核糖体毒性应激反应（RSR）。然而，这些通路在决定细胞命运中的相对作用、时机和调节尚不清楚。

2024年6月5日，约翰·霍普金斯大学和纪念斯隆·凯特琳癌症中心的研究人员在国际顶尖学术期刊Cell 上发表了题为：The ribotoxic stress response drives UV-mediated cell death 的研究论文。

该研究揭示了核糖体应激反应（RSR）驱动了紫外线（UV）介导的细胞死亡，并进一步解析了其作用机制。

核糖体是主要的应激感受器，激活决定细胞命运的信号通路。在非应激细胞中，翻译稳态是通过调节mRNA的起始速率来维持的。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有问题的mRNA。长时间的核糖体停滞会导致核糖体碰撞，核糖体碰撞会招募质量控制（QC）因子，这些因子会将mRNA和新生肽链作为降解目标，并挽救停滞的核糖体。然而，过度的核糖体碰撞会将碰撞的核糖体转化为信号传递平台，启动全局应激响应。

紫外线（UV）诱导DNA损伤并激活DNA损伤反应（DDR）通路，这些DNA损伤诱导DNA复制叉停滞并激活ATR激酶。ATR及其效应激酶CHEK1的信号传导有助于解决复制应激和维持基因组完整性。这些信号通路也会阻滞细胞周期，为修复留出时间。DNA损伤的严重程度和细胞的修复能力决定了它是存活还是经历p53介导的凋亡。

紫外线还通过光化学反应产生嘧啶二聚体和其他光产物诱导转录组RNA损伤。紫外线损伤导致解码缺陷，因为核糖体在含有富含嘧啶的受损密码子上停滞。其他在mRNA上引入大量加合物的化学制剂也会导致核糖体停滞，从而激活核糖体毒性应激反应（RSR），然而，DDR和RSR在决定核酸（包括DNA和RNA）损伤后细胞命运中的相对作用尚不清楚。

早期研究表明，核糖体毒性应激激活p38和JNK-MAPK，之后的研究发现ZAKα（也简称为ZAK）是响应核糖体毒性应激的上游MAP3K。紫外线诱导的翻译功能障碍也与GCN2和整合应激反应（ISR）激活有关。该团队最近的研究发现，核糖体碰撞直接激活ZAK和GCN2激酶。ZAK与延伸中的核糖体结合，在核糖体碰撞时被激活，随后激活p38和JNK，分别触发细胞周期阻滞和凋亡。核糖体碰撞也激活GCN2，通过ISR导致eIF2α磷酸化和全局蛋白合成抑制。

虽然上述这些研究揭示了核糖体碰撞会激活核糖体毒性应激反应（RSR）和整合应激反应（ISR）通路，但未能阐明细胞是如何通过整合ZAK和GCN2通路的输出来协调对碰撞的适度反应并决定细胞命运的。一个引人注目的模型是，核糖体碰撞的频率和持续时间作为一种分子节流器，调节细胞生存（通过ISR和p38介导的细胞周期停滞）与死亡（通过JNK介导的细胞凋亡）之间的平衡。一个推论是，调节机制应该抑制ZAK对偶然碰撞的过度反应，确保信号停止。

在这项最新研究中，研究团队揭示了紫外线辐射会引发一种即时早期反应，主要由ZAK信号通路驱动，从而在紫外线应激后重新配置全局磷酸蛋白组。通过比较ZAK和DDR通路关键组分的相对贡献，研究团队发现ZAK（以及RSR）是响应紫外线时早期凋亡和细胞周期停滞的主要驱动力。

具体来说，在这项研究中，研究团队使用时间分辨率磷酸蛋白组学、化学遗传学、单细胞成像和生化方法，创建了一份关于细胞响应紫外线损伤时激活的信号通路的时序图谱。

该研究发现，紫外线诱导的细胞凋亡是由核糖体毒性应激反应（RSR）激酶ZAK介导的，而不是通过DNA损伤反应（DDR）。

该研究还鉴定出其中两个负反馈模块，它们调节ZAK介导的细胞凋亡：

1）GCN2激活通过减少受损mRNA上的核糖体碰撞来限制ZAK活性；

2）ZAK活性触发其保守的磷酸水解位点的自磷酸化，导致其降解和信号终止。

这些机制共同作用，使ZAK的活性与核糖体碰撞水平相适应，以建立稳定、耐受和死亡的调节机制，揭示了其作为细胞核酸损伤“哨兵”的关键作用。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00527-0