研究进展生命的化学 2012 年 32 卷 6 期 563 件都是互相联系的, 并且有越来越多的因子被发现在信使核糖核蛋白体 (mrna-bound ribonucleoprotein complex, mrnp) 的发生中起多重作用 [8] 迄今为止, mrna 转录 mrna 核加工及 mr

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戈元
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562 Research Progress 文章编号 : 1000-1336(2012)06-0562-05 Gle1 蛋白的双功能性刘欢欢张志云梁爱华山西大学生物技术研究所化学生物学与分子工程教育部重点实验室, 太原 030006 摘要 :Gle1 蛋白是一种广泛存在于真核细胞内的 mrna 输出因子, 是第一个被发现的含有核输出信号的细胞质蛋白近年来的研究表明 Gle1 蛋白除了参与

1 562 Research Progress 文章编号 : (2012) Gle1 蛋白的双功能性刘欢欢张志云梁爱华山西大学生物技术研究所化学生物学与分子工程教育部重点实验室, 太原摘要 :Gle1 蛋白是一种广泛存在于真核细胞内的 mrna 输出因子, 是第一个被发现的含有核输出信号的细胞质蛋白近年来的研究表明 Gle1 蛋白除了参与 mrna 核输出外, 还在蛋白质翻译过程中起重要作用本文介绍了 Gle1 蛋白在 mrna 核输出和蛋白质翻译过程中的双功能性关键词 :Gle1 蛋白 ;mrna 输出 ; 蛋白质翻译中图分类号 :Q291 [1] Gle1 蛋白是 Murphy 等于 1996 年研究酵母 mrna 的核输出时发现的一个新的 mrna 输出因子 [1] Murphy 等的研究证实了由酵母 Gle1 基因编码的 Gle1 蛋白中含有核输出序列, 并在 mrna 的出核运输中起重要作用目前, 关于 Gle1 蛋白的研究主要在酵母和人宫颈癌 Hela 细胞中进行人的 Gle1 (hgle1) 基因位于染色体 9q34 [2,3], 编码约 75 kda 的多肽 [4] Hela 细胞中表达有两种 hgle1 亚型 :hgle1a 和 hgle1b, 两个多肽除了 C 端区域外完全相同 [3] 根据基因组序列信息,hGle1 基因包含 16 个外显子, 其中第 14 个外显子的 5 端隐含的拼接供体位点解释了两种转录本的表达, 含有两个相应的不同 3 非编码区, 导致 hgle1a 的 C 末端只含有 4 个氨基酸 (YQAC), 而 hgle1b 蛋白 C 末端含有 43 个氨基酸 ( 图 1) [3] 此外,hGle1B 蛋白的折叠比 hgle1a 多, 并且 hgle1b 在各类人细胞中均存在优先表达, 也就是说人类细胞中 hgle1b 较为普遍酵母的 Gle1 基因位于 5 号染色体, 编码约 56 kda 的多肽 [5] 目前尚未见到关于酵母的 Gle1 亚型的报道 [3] 图 1 hgle1 结构示意图 hgle1 蛋白和酵母 (yeast, y) Gle1 蛋白在细胞质及细胞核周都有部分集中分布 [6] 然而,hGle1 蛋白的两种亚型在细胞中的分布则存在差异, 例如 hgle1b 收稿日期 : 大部分集中分布于核被膜及核孔复合体中 ;hgle1a 国家自然科学基金项目 ( ); 山西省自然科学基金项目 ( ) 资助则主要分布在细胞质中 [3] 作者简介 : 刘欢欢 (1988-), 女, 硕士生, sdliuhuan 真核生物 mrna 需要完成核内转录核内 mrna 2006@sina.com; 张志云 (1977-), 女, 博士生, 讲师, 前体的加工 mrna 通过核孔复合体输出核外 yunzi123@sxu.edu.cn; 梁爱华 (1957-), 女, 博士, 教授, 博士生导师, 通讯作者, aliang@sxu.edu.cn mrna 的翻译以及降解等一系列分子事件 [7] 这些事

研究进展生命的化学 2012 年 32 卷 6 期 563 件都是互相联系的, 并且有越来越多的因子被发现在信使核糖核蛋白体 (mrna-bound ribonucleoprotein complex, mrnp) 的发生中起多重作用 [8] 迄今为止, mrna 转录 mrna 核加工及 mrna 输出之间的功能联系已被证实 [9] 例如,mRNA 输出因子的募集与特

2 研究进展生命的化学 2012 年 32 卷 6 期 563 件都是互相联系的, 并且有越来越多的因子被发现在信使核糖核蛋白体 (mrna-bound ribonucleoprotein complex, mrnp) 的发生中起多重作用 [8] 迄今为止, mrna 转录 mrna 核加工及 mrna 输出之间的功能联系已被证实 [9] 例如,mRNA 输出因子的募集与特定的转录和剪接相对应 [10] mrna 输出与翻译之间也存在功能联系, 然而具体机制并不确定, 这些分子事件的相互联系使得细胞内基因表达的多级调控能够高效而准确地完成最近的研究表明, 作为 mrna 输出因子的 Gle1 蛋白, 不仅参与 mrna 的核输出, 而且在蛋白质的翻译起始及终止中也有重要作用 ( 图 2) [11,12] [12] 图 2 Gle1 蛋白在 mrna 输出和蛋白质翻译中的功能示意图 1. Gle1 蛋白与 mrna 的核输出 mrna 在经 RNA 聚合酶转录并通过核糖体的最终翻译过程中需要经过许多步加工 [8] mrna 输出开始于 mrna 前体加工成核内不均一核糖核蛋白复合物 (heterogeneous nuclear ribonucleoprotein, hnrnp), 该复合物由核质中的转运因子识别紧接着转运因子将结合了 hnrnp 的 mrna 转运到核孔复合体, 通过核孔复合体介导其易位进而在细胞质中释放 mrna 输出还需要其他因子的参与, 包括 DEAD-box RNA 解旋酶 DEAD-box 蛋白 5 (DEAD-box protein 5, Dbp5) 以及 mrna 输出因子 Gle1 蛋白 [13] Dbp5 属于包含有 RNA 解旋酶的 DEAD-box 家族, 在核孔复合体和细胞质中都有分布 [14] Dbp5 利用与其结合的 ATP 发生水解时所提供的能量, 一方面使 RNA 结构重排, 另一方面介导不穿梭的 hnrnp 释放于核内以及穿梭的 hnrnp 释放于细胞质内 ( 图 2) [12] 转运因子和 hnrnp 再次输入核内, 被认为是动态穿梭因子 ygle1 蛋白结构中含有富含亮氨酸的核输出序列, 对 mrna 的输出至关重要 [4] 尽管 hgle1 蛋白与 ygle1 蛋白有很大的同源性, 但其结构中却没有与 ygle1 蛋白相似的核输出序列 [4] 显微注射研究结果显示, 内源的 hgle1 含有一个可以动态穿梭于核质间穿梭结构域 (shuttling domain, SD) hgle , 该序列竞争 hgle1 的核孔蛋白或衔接蛋白结合位点 [3] 研究发现,hGle1 的 SD 序列对于其依赖的 mrna 输出是必需的 [3] mrna 的起始输出需要 mrnp 通过转运因子 Mex67 对其识别依赖于 Mex67 靶向作用核孔复合体后,mRNA 输出因子 Gle1 蛋白等一些其他因子也参与到核输出 ygle1 蛋白通过核孔蛋白 -42 (nucleoporin 42, Nup42) 与核孔复合体联系,hGle1 蛋白通过核孔蛋白 hcg1 和 Nup155 与核孔复合体联系 [15] 核孔复合体结合的 mrna 输出因子 Gle1 蛋白与其共活化物六磷酸肌醇 (inositol hexaphosphate, IP 6 ) 结合使得依赖于 ATP 的 RNA 解旋酶 Dbp5 活化 [16,17] Dbp5 在酵母 Nup159 处含有一个细胞内核孔复合体结合位点, 这个位点与 Gle1- Nup42 复合体紧邻 [18] Gle1/IP 6 - 活性 Dbp5 失活诱导 mrnp 发生变构, 进而移位蛋白促进其输出到核外 [19] 此外,Gle1 蛋白也参与到了 RNA 结合蛋白 Nab2 与输出受体 Mex67 的分离过程近年来研究发现,Gle1 蛋白与多种核孔蛋白及因子如 IP 6 Dbp5 [18] 以及核孔蛋白 Rip1 [6] Nup100 Nup 82 Nup 159 Nup155 [20] hcg1 [15] 等有直接的相互作用 2. Gle1 蛋白在蛋白质翻译中的作用真核生物的蛋白质翻译过程是高度保守的, 包括 : 肽链合成的起始延伸终止和核糖体再循环

3 564 Research Progress 等步骤肽链合成的起始有许多起始因子的参与, 而肽链合成的终止主要由两类肽链释放因子介导 [9] 2008 年,Bolger 等发现 mrna 输出因子 Gle1 蛋白参与蛋白质的翻译, 其对翻译的起始和终止也是必需的 2.1 Gle1 蛋白与蛋白质翻译起始 mrna 输出细胞核后,mRNA 的翻译通过真核起始因子 (eukaryotic initiation factor, eif) 和核糖体 40S 亚基的募集启动 [14] 翻译起始包括核糖体的装配, 这依赖于介导核糖体装配的 eif [21] 其中,eIF3 有 6~13 个亚基, 其功能的发挥有以下几个步骤 :40S 亚基复合物的形成 mrna 的募集以及起始位点的扫描 [22] 此外,eIF3 也调控翻译终止后核糖体的降解和再循环 [23] [9] Bolger 等的研究表明,Gle1 蛋白与起始因子 eif3 存在相互作用,eIF3 可能促使 Gle1 蛋白加入到起始复合物中而且, 在 Gle1 蛋白突变的细胞中翻译起始受到影响, 导致细胞内 80S 核糖体积累, 说明 Gle1 蛋白是蛋白质翻译起始所必需的 [14] 与在 mrna 的核输出中的作用不同,Gle1 蛋白在翻译起始中的功能不依赖 IP6 [11,14] DEAD-box 蛋白家族成员对基因的表达至关重要, 然而, 对其更精确的调控功能尚不清楚 Gle1 蛋白是一个多功能的 DEAD-box 蛋白调节因子, 在 mrna 输出中,Gle1 蛋白与 IP6 结合通过 Dbp5 促进 mrna 核糖核蛋白体的变构而在翻译起始中,Gle1 蛋白则是通过调控另一个 DEAD-box 蛋白起始因子 Ded1 的活性来影响蛋白质翻译的起始 [11] 研究发现 Gle1 蛋白与 Ded1 存在相互作用 [11] Gle1 蛋白可以激活 Dbp5 的 ATP 酶活性, 也可抑制 Ded1 的 ATP 酶活性迄今为止,Gle1 参与蛋白质翻译起始的机制仍不明确 2.2 Gle1 蛋白与蛋白质翻译终止蛋白质翻译的正常终止对基因表达同样重要蛋白质翻译终止主要由肽链释放因子 erf1 erf3 调控 ( 酵母中各自对应的蛋白为 Sup45 Sup35) [14] 肽链释放因子能识别终止密码子并与之结合, 水解核糖体 P 位点上的多肽链与 trna 之间的酯键其中, 第一类真核肽链释放因子 (eukaryotic polypeptide release factor 1, erf1) 可以特异地识别终止密码子并水解酯键第二类肽链释放因子 erf3 是一种 GTP 酶, 水解 GTP 所释放的能量可以促进新生肽链从核糖体上释放 [24] 当核糖体遇到终止密码子时, 翻译终止阶段开始 [25] 肽链释放因子 erf1 与 erf3 结合诱导肽酰 t-rna 水解, 识别核蛋白体 A 位点使翻译终止, 释放新生肽链研究发现, 在酿酒酵母的有效翻译终止中 Gle1 蛋白和 IP6 是必需的, 并且 Gle1 蛋白与终止因子 erf1/sup45 也有直接的相互作用 [9] 在翻译终止过程中, 一方面,Gle1 蛋白和 IP6 共同活化 Dbp5,Dbp5 通过与结合在 mrna 上的 erf1/sup45 相互作用形成复合物使 mrna 蛋白复合物变构 ; 另一方面,Gle1 蛋白直接与 erf1/sup45 相互作用, 偶联活性 Dbp5, 这两个途径共同促进肽链释放因子 erf3/sup35 进入核糖体来有效识别终止密码子 [9,14] 终止密码子的识别需要 IP6 Gle1 蛋白和 Dbp5, 也就是说 Dbp5 的 ATP 酶活性至关重要 [25] 尽管在翻译终止后期 Dbp5 可能从 mrnp 上分离, 但 Gle1 蛋白仍然与其结合并通过 eif3 的募集促进核蛋白体的分离及再循环翻译终止后翻译起始因子 eif1 eif1a 和 eif3 复合物促使 80S 核糖体的分离在此基础上,Gle1 参与翻译起始, 将 Gle1 蛋白与 eif3 复合物的两个亚基联系起来, 使 Gle1 蛋白与 Nip1 (eif3c) Prt1 (eif3b) 发生相互作用 [14] 或许存在这样一个模型, 即 Gle1 蛋白促进核糖体亚基在与 eif3 结合时的再循环, 进而将翻译终止与下一个翻译起始偶联起来 3. Gle1 蛋白与疾病 Gle1 蛋白与多种运动神经元病变疾病有关, 在致死性先天挛缩综合症 1 (lethal congenital contracture syndrome 1, LCCS1) 和致死性前角细胞关节挛缩症病 (lethal arthrogryposis with anterior horn cell disease, LAAHD) 的患者中, 均发现 Gle1 蛋白已产生突变 [26] LCCS1 是一种由 hgle1 蛋白的遗传突变引起的常染色体隐性遗传病, 也被称作多发性挛缩综合症 LCCS1 通常在胎儿的发育期致命, 期间胎儿在子宫内发育迟缓, 其主要特征是发育早期的胎儿积水水肿暂时性肌肉麻痹小下颌畸形肺发育不全形成翼状胬肉以及多发性关节挛缩神经病理学方面的主要特征为前角神经元变性和极端骨骼肌萎缩 ( 骨骼肌肉极度发育不全 ) [26,27] LCCS1 最终导致胎儿产前死亡, 伴随着多效性的胎儿运动神经元病变 [14] 此外,LCCS1 通常呈现聚集性发病

4 研究进展生命的化学 2012 年 32 卷 6 期 565 LAAHD 也是一种由 hgle1 蛋白突变引起的挛缩综合征, 主要特征是胎儿暂时性肌麻痹关节挛缩以及运动神经元病变与 LCCS1 相比,LAAHD 胎儿积水水肿子宫内发育迟缓相对缓和一些此外, LAAHD 患儿比 LCCS1 患儿存活时间更长一些, 通常能够正常分娩, 但最终由于呼吸衰竭而死亡在神经病理学方面,LAAHD 与 LCCS1 相似, 但前者中枢神经系统和骨骼发育是正常的, 症状明显没有 LCCS1 严重, 且并不像 LCCS1 一样聚集性发病 [25] 4. 结语综上所述,Gle1 蛋白可调控两种不同的 DEADbox 蛋白 (Dbp5 和 Ded1), 并且将 mrna 输出和蛋白质翻译偶联起来 [11] Gle1 蛋白与翻译因子在体内直接发生相互作用, 在功能上有直接联系, 在翻译起始和终止中都有重要作用, 而 IP6 仅仅在翻译终止上起作用这表明,Gle1 蛋白在翻译中有两个独立的功能 : 一方面通过 Dbp5 的 IP 6 依赖性活性终止翻译 ; 另一方面通过 IP 6 和 Ded1 起始独立的翻译, 由此也揭示了 mrna 输出和翻译的分子联系, 为基因表达的共调控提供了理论依据此外,hGle1 蛋白突变与一些严重的人类运动神经元退化的疾病有关 Gle1 蛋白翻译功能的确证, 为由翻译缺陷而并非由 mrna 输出缺陷引起的疾病的病理生理学研究提供了新思路参考文献 [1] Murphy R et al. An RNA-export mediator with an essential nuclear export signal. Nature, 1996, 383: [2] Humphray SJ et al. DNA sequence and analysis of human chromosome 9. Nature, 2004, 429: [3] Kendirgi F et al. An essential role for hgle1 nucleocytoplasmic shuttling in mrna export. J Cell Biol, 2003, 160: [4] Watkins JL et al. The human homologue of Saccharomyces cerevisiae Gle1p is required for poly(a)+ RNA export. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95: [5] Moon D et al. The fission yeast homologue of Glel is essential for growth and involved in mrna export. J Microbiol, 2008, 46: [6] Strahm Y et al. The RNA export factor Gle1p is located on the cytoplasmic fibrils of the NPC and physically interacts with the FG-nucleoporin Rip1p, the DEAD-box protein Rat8p/Dbp5p and a new protein Ymr 255p. EMBO J, 1999, 18: [7] Moore MJ et al. From birth to death: the complex lives of eukaryotic mrnas. Science, 2005, 309: [8] Siddiqui N et al. MRNA export and cancer. Wiley Interdiscip Rev RNA, 2012, 3: [9] Bolger TA et al. The mrna export factor Gle1 and inositol hexakisphosphate regulate distinct stages of translation. Cell, 2008, 134: [10] Kohler A et al. Exporting RNA from the nucleus to the cytoplasm. Nat Rev Mol Cell Biol, 2007, 8: [11] Bolger TA et al. Gle1 is a multifunctional DEAD-box protein regulator that modulates Ded1 in translation initiation. J Biol Chem, 2011, 286: [12] Kutay U et al. Gle1 does double duty. Cell, 2008, 134: [13] Folkmann AW et al. Dbp5, Gle1-IP 6 and Nup159: a working model for mrnp export. Nucleus, 2011, 2: [14] Hodge CA et al. The Dbp5 cycle at the nuclear pore complex during mrna export I: dbp5 mutants with defects in RNA binding and ATP hydrolysis define key steps for Nup159 and Gle1. Genes Dev, 2011, 25: [15] Kendirgi F et al. Interaction between the shuttling mrna export factor Gle1 and the nucleoporin hcg1: a conserved mechanism in the export of Hsp70 mrna. Mol Biol Cell, 2005, 16: [16] Weirich CS et al. Activation of the DExD/H-box protein Dbp5 by the nuclear-pore protein Gle1 and its coactivator InsP6 is required for mrna export. Nat Cell Biol, 2006, 8: [17] Noble KN et al. The Dbp5 cycle at the nuclear pore complex during mrna export II: nucleotide cycling and mrnp remodeling by Dbp5 are controlled by Nup159 and Gle1. Genes Dev, 2011, 25: [18] Hodge CA et al. Rat8p/Dbp5p is a shuttling transport factor that interacts with Rat7p/Nup159p and Gle1p and suppresses the mrna export defect of xpo1-1 cells. EMBO J, 1999, 18: [19] Montpetit B et al. A conserved mechanism of DEAD-box ATPase activation by nucleoporins and InsP6 in mrna export. Nature, 2011, 472: [20] Rayala HJ et al. The mrna export factor human Gle1 interacts with the nuclear pore complex protein Nup155. Mol Cell Proteomics, 2004, 3: [21] Kapp LD et al. The molecular mechanics of eukaryotic translation. Annu Rev Biochem, 2004, 73: [22] Hinnebusch AG et al. eif3: a versatile scaffold for translation initiation complexes. Trends Biochem Sci, 2006, 31: [23] Pisarev AV et al. Recycling of eukaryotic posttermination ribosomal complexes. Cell, 2007, 131: [24] Wang Y et al. Functional characterization of polypeptide release factor 1b in the ciliate Euplotes. Biosci Rep, 2010, 30: [25] Baierlein C et al. Translation termination: new factors and insights. RNA Biol, 2010, 7: [26] Nousiainen HO et al. Mutations in mrna export mediator GLE1 result in a fetal motoneuron disease. Nat Genet, 2008, 40: [27] Hurt JA et al. mrna nuclear export and human disease. Dis Model Mech, 2008, 1:

5 566 Research Progress The bifunction of Gle1 LIU Huanhuan, ZHANG Zhiyun, LIANG Aihua Key Laboratory of Chemical Biology and Molecular Engineering of Ministry of Education, Institute of Biotechnology, Shanxi University, Taiyuan , China Abstract Gle1, the first cytosolic protein identified with an nuclear export sequence (NES), is a ubiquitous mrna export factor in the eukaryotic cells. Recent studies have showed that besides functioning in the process of mrna exportation from the nucleus to the cytoplasm, Gle1 also plays a vital role in protein translation. The research progress of Gle1 was summarized in this paper. Key words Gle1; mrna export ; protein translation

考试科目代码考试科目名称 724 教育心理学 728 建筑理论综合 729 中外美术史及理论 730 美术史论 732 城乡规划基本理论与相关知识 733 细胞生物学 734 教育学综合 801 理

考试科目代码考试科目名称 724 教育心理学 728 建筑理论综合 729 中外美术史及理论 730 美术史论 732 城乡规划基本理论与相关知识 733 细胞生物学 734 教育学综合 801 理 2016 年硕士研究生初试考试自命题科目大纲查询导航页考试科目代码考试科目名称 211 翻译硕士英语 240 德语 245 二外俄语 246 二外日语 247 二外德语 248 二外法语 333 教育学综合 337 工业设计理论 344 风景园林基础 349 药学综

研究进展 生命的化学 2012 年 32 卷 6 期 563 件都是互相联系的, 并且有越来越多的因子被发现 在信使核糖核蛋白体 (mrna-bound ribonucleoprotein complex, mrnp) 的发生中起多重作用 [8] 迄今为止, mrna 转录 mrna 核加工及 mr

研究进展生命的化学 2012 年 32 卷 6 期 563 件都是互相联系的, 并且有越来越多的因子被发现在信使核糖核蛋白体 (mrna-bound ribonucleoprotein complex, mrnp) 的发生中起多重作用 [8] 迄今为止, mrna 转录 mrna 核加工及 mr