Science | DNA损伤诱发细胞凋亡的新通路！由核糖体停滞介导，不依赖p53

2024年5月17日，荷兰癌症研究所生物化学部Thijn R Brummelkamp团队和肿瘤基因组学部Reuven Agami团队等研究人员在Science上发表题目为“DNA damage induces p53-independent apoptosis through ribosome stalling”的研究论文。该研究揭示一种与基因Schlafen 11（SLFN11）和核糖体停滞相关的癌细胞凋亡新机制。研究发现在DNA损伤治疗中，SLFN11会关闭细胞的蛋白质工厂“核糖体”，使缺乏肿瘤蛋白p53（TP53）的癌细胞仍可发生细胞凋亡。强调了核糖体停滞是DNA损伤影响细胞命运的信号事件。

文章索引

【题目】DNA damage induces p53-independent apoptosis through ribosome stalling

【期刊】Science

【发表时间】2024年5月17日

【IF】56.9（1区）

【单位/通讯作者】荷兰癌症研究所生物化学部Thijn R Brummelkamp团队和肿瘤基因组学部Reuven Agami团队

研究结果

1. DNA损伤抑制翻译

该研究确定了人单倍体HAP1细胞在暴露于依托泊苷、顺铂或羟基脲后发生DNA损伤和凋亡。

通过CRISPR/Cas9技术灭活HAP1和A549细胞中TP53，这些细胞在依托泊苷作用下依然发生凋亡，证实了这种凋亡是p53非依赖性的。

进一步分析发现DNA损伤导致HAP1细胞的蛋白质合成整体减少。且这种翻译抑制与caspase-3的活化相关。DNA损伤诱导的caspase-3活化仅在低翻译的细胞群中检测到，且翻译抑制不依赖于caspase活化。

综上，DNA损伤在翻译抑制的细胞中选择性激活凋亡caspase，且caspase活化本身不需要翻译抑制。

2. DNA损伤导致核糖体停滞

为进一步研究DNA损伤后的翻译抑制，该研究通过核糖体印迹测序Ribo-seq（表观生物可提供该技术服务）分析了mRNA的核糖体保护片段（RPFs），使用差异核糖体密码子读取（diricore）方法检测核糖体在密码子类型，结果发现DNA损伤引起翻译起始抑制和核糖体在罕见亮氨酸编码UUA密码子处的停滞。qPCR结果表明这种停滞与UUA对应的tRNA丰度减少有关，表明DNA损伤不仅导致翻译的整体减少，且导致特定密码子UUA处的翻译停滞。

图1. DNA损伤导致罕见的亮氨酸密码子UUA的翻译和核糖体停滞的整体减少

3. 翻译抑制和核糖体停滞需要SLFN11

该研究通过基因筛选实验，在HAP1细胞暴露于依托泊苷后，将嘌呤霉素掺入信号相对“高”和“低”的细胞群进行分离，并通过深度测序绘制了基因陷阱插入图谱，以识别在“高翻译”与“低翻译”细胞群中富含破坏性突变的基因。

在依托泊苷处理的筛选中，SLFN11和蛋白GCN2是最富集的基因。SLF11编码一种tRNA酶，与DNA损伤敏感性有关，常通过启动子甲基化失活。

该研究发现，SLFN11缺陷导致翻译抑制变弱，且与DNA损伤相关的核糖体停滞和tRNAUUA下调消失。

综上，SLFN11在DNA损伤响应中通过诱导核糖体在UUA密码子处停滞，触发了需要GCN2的全局翻译抑制。

图2. SLFN11对核糖体UUA延迟至关重要；GCN2介导翻译的全局抑制

4. SLFN11介导p53非依赖性细胞凋亡

该研究通过基因筛选方法确定依托泊苷诱导细胞凋亡所需的基因，结果发现SLFN11为caspase-3激活的关键基因，而GCN2缺失不影响凋亡。

SLFN11通过诱导核糖体在UUA密码子处停滞和触发全局翻译抑制，在响应DNA损伤中起关键作用，表明其在DNA损伤诱导的凋亡中发挥不可或缺的作用。

图3. DNA损伤通过SLFN11激活p53非依赖性细胞凋亡

5. DNA损伤诱导的核糖体毒性应激信号激活细胞凋亡

通过免疫印迹分析检测了ERK1/2、p38和JNK的激活。JNK激活完全依赖SLFN11，而ERK和p38不受影响。

该研究设计了两个遗传JNK激活筛选，结果发现只有DNA损伤诱导的JNK激活需要SLFN11。

SLFN11在响应DNA损伤时，与ZAKα共同作用，调控eIF2α磷酸化和MAPK信号传导级联反应。

综上，这些结果均表明SLFN11在DNA损伤中触发核糖体停滞的重要作用。

图4. SLFN11诱导的核毒性应激信号激活ZAKa并导MAPK依赖性细胞凋亡

讨 论

本研究论文探讨了在DNA损伤下，细胞如何在缺乏p53的情况下通过核糖体UUA停滞诱导细胞凋亡。研究发现，这一反应不仅在不同来源的癌细胞系中观察到，也出现在从人类结直肠癌获得的不同患者衍生的类器官中。此外，健康的原代人T细胞中也检测到了DNA损伤引起的核糖体在UUA密码子处停滞，这可能导致基因毒性癌症疗法的不良副作用。SLFN11在病毒免疫和细胞基因毒性应激信号中发挥双重作用，类似于cGAS-STING，通过感知异常DNA诱导炎症状态。这一机制有助于解释SLFN11作为化疗反应性最强的生物标志物的重要性。

参考文献：

Boon NJ, Oliveira RA, Körner PR, et al. DNA damage induces p53-independent apoptosis through ribosome stalling.Science. 2024;384(6697):785-792.