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【摘要】 冷诱导RNA结合蛋白(cold inducible RNA-binding protein，CIRP)是一种应激反应蛋白，伴随紫外线照射、冷应激及缺氧等过程而过量表达。研究证实，CIRP无论是在核酸结构上，还是在氨基酸结构上都是高度保守，具有较高的同源性，其细胞定位和生理功能可能具有组织特异性;CIRP不仅具有介导冷诱导的细胞生长抑制作用，而且可能参与人和动物紫外线照射应激、缺氧应激、肿瘤发生，以及肿瘤抑制等多种生理病理过程。因此，深入开展CIRP的功能性研究和应用性研究具有重要的基础研究价值和临床医学应用前景。
【关键词】 冷诱导RNA结合蛋白;应激反应;肿瘤
低温对细胞的作用包括：降低细胞的耗氧量和代谢率，调节氧化还原和改变基因的表达[1、2]。低温冷适应的分子机制，尤其对哺乳动物细胞，目前了解得很少。对寒冷的反应包括：调节转录、翻译、细胞骨架、细胞周期和代谢等过程[3、4]。许多研究发现，细胞处在亚低温(32℃)时，即使只有一瞬间，其内部所发生的变化远比我们目前已了解得要多得多。一旦机体暴露在低温环境下，特定的冷休克蛋白立即做出反应，确保细胞或机体能快速的适应环境。虽然在过去的十几年里大量的冷休克蛋白被发现，但是迄今为止仅有两种被较好的定性：即冷诱导RNA结合蛋白(cold-inducible RNA-binding protein，CIRP)和RNA结合基础蛋白3[5]。本文就CIRP做一个综述。
1CIRP的发现与结构
CIRP最早是在转录的研究中被发现，当紫外线(UV)或与UV相似的药物损伤DAN时，CIRP即被诱导产生，且以UV剂量依赖的方式增加[6]。后来发现在亚低温状态下，CIRP亦出现高表达[6]。Xue等通过体外细胞培养，在冷应激1~3h后探测到CIRP，在12h表达最高，意味着CIRP是在亚低温环境中最早的应激产物之一。CIRP在成年老鼠的睾丸、肺、心脏、肾、海马和大脑皮质中持续表达[7]。在雄性生殖细胞中CIRP水平根据不同发育阶段而改变[8]。CIRP位于染色体19p13.3位点上，CIRP蛋白含有172个氨基酸，两个确定的区域。第一个是RNA结合区域(RMM motif)，它在不同物种及与RNA结合中高度保守。RRM是被充分鉴定的RNA结合基序之一，大约由90个氨基酸构成，包含两个高度保守序列(一个为八聚体，另一个为六聚体)，分别被定名为核糖核蛋白1(ribonucleoprotein1，RNP1)和核糖核蛋白2(RNP2)，还含有许多其他的保守性氨基酸(多数为疏水性氨基酸)。第二是富含甘氨酸的区域(RGG motif)，功能目前尚不明确。
2CIRP与应激反应
绝大多数真核细胞mRNAs(~90%)是通过帽子依赖(cap-dependent)机制进行翻译。而这个翻译机制在应激状态时受到抑制，由内部核糖体进入位点(IRES，internal ribosome entry site)(约占细胞mRNAs的10%)机制代替帽子依赖机制进行翻译[9]。研究证实cirp在亚低温等应激环境中，其转录物结构最完整，显示强大的IRES活性[10]。CIRP常常蓄积在一些应急颗粒中(应急颗粒是细胞代谢时期在翻译过程中沉默的mRNAs累积的地方)，能调控和聚合特殊mRNAs进入应急颗粒[11、12]。CIRP的核质分布由它C末端区域的甲基化来控制[11]。在低温、UV照射、缺氧等应激条件下CIRP表达增加，从细胞核转移到胞浆，和有限的几种RNA(包括几个应急诱导分子)相结合，参与DNA损伤的修复、转录后的调节和增加蛋白质的翻译[13]，起到细胞保护作用[14、15]，被认为是一种应激反应蛋白。可以推测在应激状况下，CIRP在细胞内的位置可能对mRNA转录或翻译起到决定性的作用。在UV应激反应的模型中，通过直接干预CIRPmRNAs的3'-UTR，已经发现了几个CIRP的作用靶点[13]。CIRP特异性地结合到复制蛋白A(the replication protein A，RPA2)和硫氧还蛋白(thioredoxin，TRX)mRNAs的3'-UTR上。RPA2和TRX是两种能增加细胞或机体对应激反应适应性能力的蛋白[16、17]。TRX是一种普遍存在的多功能的蛋白，它通过清除(quenching)氧自由基调节细胞信号[18]。而RPA2是肿瘤克隆增生的指标，是肿瘤治疗的靶点[19]。除了因UV照射后应急和低氧而产生的翻译后修饰如甲基化以外，CIRP也被GSK3β激酶磷酸化而转移到细胞浆，和TRX转录物结合并通过与整个转录相互作用而增加翻译[20]。在不同的应急状态中，影响CIRP磷酸化的激酶应需要进一步研究，从而能了解这些基因的功能。另外，亚低温的脑保护作用已被肯定，CIRP是否扮演了积极的角色呢?这需要进一步研究。
3CIRP对肿瘤的作用
在美国或西欧，每4个人中就有1个可能患癌症。从病理和临床观点看，致癌过程和下面几个系列事情发生：(1)不能被灭活;(2)转化;(3)侵入;(4)转移。多细胞器官已经形成一些机制去避免细胞增殖过程中的无限的增长和恶变。机制之一是复制的衰竭，即当致癌变化出现时能及时被阻止[21]。从动物组织中直接得到的原始细胞能在体外移植，在不同的环境中培养和分化。原始细胞的主要特征是：在出现复制衰竭前具有分化成几种不同细胞的能力。复制衰竭的特征：显示某种表型如巨细胞形态、β-牛乳糖的活性，和基因型的变化如PAI-1的过表达以及细胞周期抑制蛋白的上调如p21，p16或p19[22]。因此，细胞如果想要避免衰竭，就需要发生内在或外在的变化。早期认为复制衰竭是组织培养应激的结果，但是有趣的是在良性病变的肿瘤中发现了衰竭的细胞[23]。实际上，恶性肿瘤并没有衰竭细胞，可能是因为这些细胞已经经历了突变，而具有致癌的性质。运用高通量复合遗传筛选法，发现CIRP的过表达增加了P-ERK 1/2的水平，影响了一些蛋白质(和翻译起始有关的蛋白质，如4EB-P1、S6)的磷酸化，而让鼠原始细胞得以避免出现衰竭[24]。同时也发现CIRP在抑制细胞凋亡中亦起到重要的作用[25]。在一个有193例患者的队列研究中发现，CIRP在几种人类肿瘤中是高表达的[24]。而在本院肿瘤队列研究中，笔者在细胞浆中发现了CIRP;然而，我们不能确定CIRP的位置能否在肿瘤发生中调节它的功能。CIRP在33%的克隆性增生中和45%的乳腺癌患者中过表达的事实支持它参与了肿瘤的生长[5]。除了发现CIRP能作为新的致癌蛋白之外，在近期的一些研究中也发现了它的抗癌作用。曾等阐述了CIRP可减少前列腺细胞(LNCaP and PC-3)的增生，更重要的是，CIRP敲除不仅伤害到细胞的生存，还增强细胞对顺铂和阿霉素的化学敏感性，这都显示CIRP可能是治疗前列腺癌新的药物[26]。CIRP抑制同时也损害到其他细胞系(如HeLa，TERA2)的增生，显示它也可应用于其他癌症的治疗。
4CIRP抗衰竭的作用
衰竭与抗衰竭的关键调控通路包括：细胞周期蛋白pRB和p53，致癌基因的高表达(如c-myc)，端粒酶的持续性，表观遗传学调控，小RNA分子的调节以及氧化应激反应等等[27、28]。氧化应激导致细胞衰竭早已得到证实，而抗氧化酶在对抗ROS的作用同时，还能使原始细胞避免衰竭并增生。例如，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase enzyme，SOD)抗衰竭的能力在许多不同的细胞和组织中已经被研究。SOD表达增加能延长初级成纤维细胞的生命[29];相反，SOD敲除诱发细胞早期出现衰竭[30]，还有就是TRX的抗衰老的作用，实验已经证实TRX表达的转基因鼠显示了一个中等的但有意义的生命的延长[31]。研究证实CIRP，除了使特殊的mRNAs和翻译机制中必须的蛋白活化外，还可能激活一些mRNAs(能编码参与清除ROS的蛋白，如抗氧化酶TRX)。Lleonart等[5]提出了CIRP抗衰竭通道模型，并得到如下事实所支持：(1)CIRP表达水平下降的细胞比CIRP表达正常的细胞对UV照射更敏感，众所周知，UV是主要的ROS诱导物[13];(2)当UV照射时，CIRP被激活并引起TRX的表达[20];(3)缺氧是产生ROS的一个机制，同时也激活CIRP;(4)CIRP刺激基础翻译机制中成分(如eIF4G，4E-BP1和S6)或与它们相互作用，促进翻译[20、24]。另外，CIRP在缺氧时的高表达能增加mRNA和蛋白的水平和参与细胞增生这个事实说明他可能参与了新生血管的形成。这很容易让人去假设，CIRP的上调(在大量的癌症中可观察到[24、32])是肿瘤对缺氧做出的反应。下面的事实支持这个观点：(1)缺氧时该蛋白受到刺激;(2)CIRP高表达增加VEGF蛋白的水平，VEGF是重要的血管生成刺激蛋白;(3)缺氧诱导的GSK3β激酶使CIRP磷酸化，使CIRP的结合力增加[25]。此外，CIRP激活的抗氧化酶能使ROS的毒害作用减少的可能性也是一个很有吸引力的假设，可以解释，至少在部分上，CIRP高表达的细胞能抵抗UV照射产生的毒副作用[13]。5结论本文章阐述了这个事实，作为可能的致癌蛋白，CIRP在高表达时有以下特征：(1)增加蛋白合成的能力;(2)直接或间接参与肿瘤发生;(3)参与原始细胞的抗衰竭功能;(4)肿瘤恶化中的高表达。 CIRP抗衰竭的能力，可能和它保护细胞免受ROS蓄积的毒害的作用密切相关。因此，我们认为探索在冷诱导RNA结合蛋白的活性下详尽的分子调节机制是非常重要的，因为在几个人体病理特性中，包括肿瘤的发生，它的功能可能和拓宽生理及生物进程密切相关。
【参考文献】
1Safar PJ,Kochanek PM. Therapeutic hypothermia after cardiac arrest. N Engl J Med，2002，346:612-613.
2Sonna LA，Fujita J，Gaffin SL,et al. Invited review: effects of heat and cold stress on mammalian gene expression. J Appl Physiol，2002，92:1725-1742.
3Al-Fageeh MB，Smales CM.Control and regulation of the cellular responses to cold shock: the responses in yeast and mammalian systems. Biochem J,2006,397:247-259.
4Fujita J.Cold shock response in mammalian cells. J. Mol. Microbiol. Biotechnol,1999:243-255.
5Lleonart ME. A new generation of proto-oncogenes cold-inducible RNA binding proteins. Biocheim Biophys Acta,2009,1805:43-52.
6Nishiyama H，Itoh K，Kaneko Y,et al. A glycine-rich RNA-binding protein mediating cold-inducible suppression of mammalian cell growth. J Cell Biol,1997,137:899-908.
7Xue JH，Nonoguchi K，Fukumoto M,et al. Effects of ischemia and H2O2 on the cold stress protein CIRP expression in rat neuronal cells. Free Radic Biol Med,1999,27:1238-1244.
8Nishiyama H，Danno S，Kaneko Y，et al. Decreased expression of cold-inducible RNA-binding protein (CIRP) in male germ cells at elevated temperature. Am J Pathol,1998,152:289-296.
9Mitchell SA，Spriggs KA，Bushell M,et al. Identification of a motif that mediates polypyrimidine tract-binding protein-dependent internal ribosome entry. Genes Dev,2005,19:1556-1571.
10Al-Fageeh MB，Smales CM.Cold-inducible RNA binding protein (CIRP) expression is modulated by alternative mRNAs. RNA,2009,15:1164-1176.
11F De Leeuw，T Zhang，C Wauquier,et al.The coldinducible RNA-binding protein migrates from the nucleus to cytoplasmic stress granules by a methylation-dependent mechanism and acts as a translational repressor.Exp Cell Res,2007,313:4130-4144.
12P Anderson，N Kedersha. RNA granules: post-transcriptional and epigenetic modulators of gene expression. Nat. Rev，Mol. Cell Biol,2009,10:430-436.
13C Yang,F Carrier. The UV-inducible RNA-binding protein A18 (A18 hnRNP) plays a protective role in the genotoxic stress response. J Biol Chem,2001,276:47277-47284.
14MS Sheikh，F Carrier,MA Papathanasiou,et al. Identification of several human homologs of hamster DNA damage-inducible transcripts. Cloning and characterization of a novel UV-inducible cDNA that codes for a putative RNA-binding protein. J Biol Chem,1997,272:26720-26726.
15H Kita，J Carmichael，J Swartz,et al. Modulation of polyglutamine-induced cell death by genes identified by expression profiling. Hum. Mol. Genet,2002,11:2279-2287.
16A Yokomizo，M Ono，H Nanri,et al. Cellular levels of thioredoxin associated with drug sensitivity to cisplatin，mitomycin C，doxorubicin，and etoposide. Cancer Res,1995,55:4293-4296.
17JS Park，SJ Park，X Peng,et al. Involvement of DNAdependent protein kinase in UV-induced replication arrest. J Biol Chem,1999,274:32520-32527.
18SJ Welsh，WT Bellamy，MM Briehl,et al. The redox protein thioredoxin-1 (Trx-1) increases hypoxia-inducible factor 1alpha protein expression: Trx-1 overexpression results in increased vascular endothelial growth factor production and enhanced tumor angiogenesis. Cancer Res,2002,62:5089-5095.
19N Givalos，H Gakiopoulou，M Skliri,et al. Replication protein A is an independent prognostic indicator with potential therapeutic implications in colon cancer. Mod Pathol,2007,20:159-166.
20R Yang，DJ Weber，F Carrier. Post-transcriptional regulation of thioredoxin by the stress inducible heterogeneous ribonucleoprotein A18. Nucleic Acids Res,2006,34:1224-1236.
21ME Lleonart，A Artero-Castro，H Kondoh.Senescence induction: a possible cancer therapy. Mol Cancer,2009,8:3.
22M Serrano，AW Lin，ME McCurrach,et al. Oncogenic ras provokes premature cell senescence associated with accumulation of p53 and p16INK4a. Cell,1997,88:593-602.
23M Collado，J Gil，A Efeyan,et al. Tumour biology: senescence in premalignant tumours. Nature,2005,436:642.
24A Artero-Castro，FB Callejas，J Castellvi,et al. CIRP bypasses replicative senescence in primary cells through ERK1/2 activation. Mol Cell Biol,2009,29:1855-1868.
25T Sakurai，K Itoh，H Higashitsuji,et al. Cirp protects against tumor necrosis factor-alphainduced apoptosis via activation of extracellular signal-regulated kinase. Biochim. Biophys. Acta,2006,1763:290-295.
26Y Zeng，P Kulkarni，T Inoue,et al. Down-regulating cold shock protein genes impairs cancer cell survival and enhances chemosensitivity. J Cell Biochem,2009,107:179-188.
27MR Ramsey，NE Sharpless. ROS as a tumour suppressor? . Nat. Cell Biol,2006,8:1213-1215.
28H Helmbold，N Komm，W Deppert,et al. Rb2/p130 is the dominating pocket protein in the p53-p21 DNA damage response pathway leading to senescence. Oncogene,2009.
29V Serra，T von Zglinicki，M Lorenz,et al. Extracellular superoxide dismutase is a major antioxidant in human fibroblasts and slows telomere shortening. J Biol Chem,2003,278:6824-6830.
30G Blander，RM de Oliveira，CM Conboy,et al. Superoxide dismutase 1 knock-down induces senescence in human fibroblasts. J Biol Chem,2003,278:38966-38969.
31A Mitsui，J Hamuro，H Nakamura,et al. Overexpressionof human thioredoxin intransgenicmice controls oxidative stress and life span. Antioxid. Redox Signal,2002,4:693-696.
32SM Sureban，S Ramalingam，G Natarajan,et al. Translation regulatory factor RBM3 is a proto-oncogene that prevents mitotic catastrophe. Oncogene,2008,27:4544-4556.