华人女学者阐释古老蛋白质的新角色

　　

生物通报道：氨酰tRNA合成酶（aminoacyl tRNA synthetase，通常简写为aaRS）是一类催化特定氨基酸或其前体与对应tRNA发生酯化反应而形成氨酰tRNA的酶。由于每一种的氨基酸与tRNA的连接都需要专一性的氨酰tRNA合成酶来催化，因此氨酰tRNA合成酶的种类与标准氨基酸的数量一样都为20种。氨酰tRNA合成酶也是自然界中最古老的蛋白质之一。酪氨酸tRNA合成酶（TyrRS）就是其中一种。

最近，美国斯克里普斯研究所（TSRI）的科学家发现，TyrRS还有另一个主要功能：在细胞应激过程中保护DNA。这一发现是TSRI几个实验室共同合作的结果，发表在2014年10月2日的《分子细胞》（Molecular Cell）杂志。

从基础科学层面上来说，这一发现非常值得注意，而且也指明了可能的治疗应用。采用某种策略增强TyrRS酶的DNA保护功能，可以帮助人们免受辐射损伤以及DNA修复系统中的遗传缺陷。

TSRI教授杨湘磊（Xiang-Lei Yang）带领了这项研究，她指出：“我们在斑马鱼中过度表达了TyrRS，发现它们能完全保护鱼免于紫外线辐射诱导的DNA损伤。”

这一新发现也能够使我们更好地理解神经退行性疾病Charcot-Marie-Tooth，这是一种遗传性、进行性神经性肌萎缩综合症，1886年最早由法国两位神经病学家Jean Martin Charcot和Pierre Marie以及一位英国学者Howard Henry Tooth首先在临床描述而得名。在某些情况下，这种疾病是由TyrRS基因突变引起。

许多作用
TyrRS（酪氨酰-tRNA合成酶）属于一个进化上非常古老的酶家族，对于细胞的蛋白质装配必不可少。它们能识别包含在基因转录本中的代码，并将其与相应的氨基酸（蛋白质的构建模块）联系起来。

TyrRS的作用是识别指定酪氨酸的遗传代码。但是近年来有研究发现，TyrRS和细胞中相对丰富的其他tRNA合成酶，具有更多的功能。这些报告是由TSRI教授Paul Schimmel的实验室在1999年得出，他发现TyrRS有时会浮出垂死的细胞，分成两块，每一块分别携带一个传达到其他细胞的免疫刺激信号。

在2012年的一项研究报道中，杨教授和她的同事们发现，TyrRS在细胞核中似乎有另一个作用，当蛋白质制造过程放慢速度时，它可能在某些时候重新迁移到那里。

杨教授说：“蛋白质合成减少，往往与应激反应有关。所以我们开始顺着这个方向进行探索。”

一个团队的努力
在这项新的研究中，杨教授与TSRI的几个实验室共同合作。她说：“专业的宽度和这里的学院环境使这项研究变得更加容易。”

该研究团队，包括第一作者、杨教授实验室的助理研究员Na Wei，首先开始在几种细胞类型中制备不同的压力条件。研究人员观察到，只有“氧化”应激——细胞内高活性氧分子过量所造成的一种常见应激，能够将TyrRS送入细胞核。

TyrRS在细胞核内做了什么？为了了解更多，研究小组记录了当TyrRS充满细胞核时，基因表达模式是如何变化的。他们指出，这些变化中的许多变化，在那些与DNA保护和修复相关的基因当中活性激增。将TyrRS排除在细胞核之外，能够阻止这种激增。

在随后的实验中，研究小组对细胞核中TyrRS停止DNA损伤应答的基因表达分子细节，进行了梳理。他们还能够在培养皿实验中表明，TyrRS移动到细胞核，提供了相当大的保护来对抗DNA氧化损伤。

DNA修复专家、TSRI副教授Xiaohua Wu指出：“我们发现，TyrRS可促进DNA修复的最保守和无误差的同源重组途径，当其受到损伤时，这将有助于维持细胞基因组的稳定性。”

为了确认TyrRS保护作用的生理相关性，研究人员人为地增加了TyrRS在斑马鱼胚胎中的表达，有效地迫使一些TyrRS进入细胞核，在那里它能够行使其基因激活作用。结果发现，TyrRS的大量涌入，可提供强有力的保护，使其免受紫外线辐射引起的DNA损伤。再次，当科学家们将TyrRS排除在斑马鱼细胞核之外时，保护作用就消失了。

TSRI助理教授Shuji Kishi指出：“这是斯克里普斯研究所一项硕果累累的合作项目。其中，第二作者、杨教授实验室的Yi ('Eric') Shi发挥了关键作用，他迅速掌握和执行了我实验室中斑马鱼的所有基本技能。利用斑马鱼模型系统，我们能够在有机体水平上证明TyrRS的基因组保护作用。”

杨教授表示：“对于这样一个明确的结果，我感到很惊讶。”

潜在的医学应用
她补充说，原则上，将更多TyrRS带入细胞核或在那里模拟其活性的治疗方法，可能为暴露辐射或毒素、或有DNA修复缺陷的人，提供强有力的DNA保护作用。

杨教授也希望，他们发现的TyrRS在细胞核中的这一新作用，最终将澄清Charcot-Marie-Tooth (CMT)的根本机制，这是一种遗传性周围神经变性综合征，影响世界上至少几百万人。已知一些CMT病例与TyrRS基因突变有关，2009年的一项研究发现，这些突变并不损害TyrRS在蛋白质翻译中的的主要酶功能，这表明TyrRS在细胞核中的作用，将是下一个研究的焦点。

杨教授表示：“我怀疑，TyrRS的细胞核功能，与CMT有关。这个假设已经成为我们这项工作的一个重要动机，是我们打算继续深入探究的事情。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Oxidative Stress Diverts tRNA Synthetase to Nucleus for Protection against DNA Damage
Summary: Tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) is known for its essential aminoacylation function in protein synthesis. Here we report a function for TyrRS in DNA damage protection. We found that oxidative stress, which often downregulates protein synthesis, induces TyrRS to rapidly translocate from the cytosol to the nucleus. We also found that angiogenin mediates or potentiates this stress-induced translocalization. The nuclear-localized TyrRS activates transcription factor E2F1 to upregulate the expression of DNA damage repair genes such as BRCA1 and RAD51. The activation is achieved through direct interaction of TyrRS with TRIM28 to sequester this vertebrate-specific epigenetic repressor and its associated HDAC1 from deacetylating and suppressing E2F1. Remarkably, overexpression of TyrRS strongly protects against UV-induced DNA double-strand breaks in zebrafish, whereas restricting TyrRS nuclear entry completely abolishes the protection. Therefore, oxidative stress triggers an essential cytoplasmic enzyme used for protein synthesis to translocate to the nucleus to protect against DNA damage.