mTORC1 携手 tRNA 摆动修饰：维持蛋白质合成机制的关键纽带

在细胞生命活动中，蛋白质合成至关重要却调控复杂。为探究 mTORC1 与 tRNA 修饰如何调控蛋白质合成，研究人员开展相关研究。结果发现 mTORC1 与 tRNA U34修饰酶协同维持蛋白质合成机制，这为癌症治疗等提供新方向。

　　在细胞的微观世界里，蛋白质合成是一场精密而复杂的 “生产活动”。蛋白质构成了哺乳动物细胞干重的 50% 以上，其生产过程消耗大量的生物合成和生物能量资源。就连蛋白质合成机器本身，包括核糖体、tRNA、mRNA 和各种翻译因子，都占据了细胞质量的很大一部分。激酶哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）是蛋白质合成和细胞生长的核心调节因子，它能被生长因子和营养物质激活，进而磷酸化多个靶点，促进 mRNA 翻译，快速刺激新蛋白质的产生。而 tRNA 在蛋白质合成中起着关键的 “翻译员” 作用，其反密码子摆动位置的尿苷（U₃₄）会被修饰，修饰后的 tRNA 能增强对某些密码子的解码效率。然而，mTORC1 和其他蛋白质合成调节因子如何精确控制蛋白质合成，以产生特定的蛋白质组子集，这一问题一直悬而未决；tRNA U₃₄修饰酶与其他翻译调节因子是否存在功能相互作用，以及 tRNA 摆动尿苷修饰如何精确增强特定蛋白质组子集的产生，也有待解答。

为了揭开这些谜团，德国癌症研究中心（DKFZ）、海德堡大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们通过全基因组 CRISPR 筛选、定量新生蛋白质组学、稳态蛋白质组学和核糖体分析等一系列实验，发现 mTORC1 与 tRNA U₃₄修饰酶在维持蛋白质合成和细胞生长方面存在功能相互作用。二者协同作用，促进蛋白质合成机器的生成，增强细胞的翻译能力，满足细胞生长的生物合成需求。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解细胞蛋白质合成调控机制提供了新的视角，也为癌症等相关疾病的治疗开辟了潜在的新方向。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先是全基因组 CRISPR 筛选技术，利用该技术在小鼠胰腺癌细胞系 EPP2 中进行筛选，以确定在 mTOR 抑制期间维持细胞生长的基因。其次，采用定量新生蛋白质组学（QuaNPA）技术，通过标记新生蛋白质并结合质谱分析，研究 tRNA U₃₄修饰酶对蛋白质合成的影响。此外，还运用了核糖体分析和差异核糖体密码子阅读（diricore）分析技术，探究 tRNA U₃₄修饰酶对特定密码子翻译的作用。

研究结果

1. CRISPR 筛选确定关键酶：研究人员用 mTOR 激酶抑制剂 torin 1 处理细胞，进行基于增殖的 CRISPR 筛选。结果发现，一类在反密码子摆动尿苷处产生 mcm⁵s²修饰的 tRNA 修饰酶（U₃₄修饰酶），如 Elongator 复合物的几个组分（Elp2、Elp3、Elp6）和胞质硫尿苷酶亚基 1/2（Ctu1/Ctu2），在 mTOR 抑制期间对细胞生长至关重要。敲除这些酶会使细胞对 torin 1 和雷帕霉素（rapamycin）等 mTORC1 抑制剂更加敏感，且这种敏感性在体内实验中也得到验证，表明缺乏 U₃₄修饰酶的细胞在体外和肿瘤中高度依赖 mTORC1 信号通路。
2. U₃₄修饰酶影响蛋白质合成：通过 QuaNPA 分析，研究人员发现缺乏 U₃₄修饰酶（如敲除 Ctu1 或 Elp3）会导致细胞新合成蛋白质组中约 90% 的蛋白质减少，说明 U₃₄修饰酶在维持蛋白质合成中起关键作用。核糖体分析和 diricore 分析显示，敲除 Ctu1 会导致核糖体在 AAA 密码子处的 A 位点占有率大幅增加，在 CAA/GAA 密码子处也有一定程度增加，且 mRNA 中 VAA 密码子（AAA、CAA、GAA）含量增加与新合成蛋白质组中相应蛋白质丰度降低相关，表明 U₃₄修饰酶对富含 VAA 密码子的 mRNA 的蛋白质合成至关重要。
3. U₃₄修饰酶促进核糖体蛋白合成：基因集富集分析（GSEA）表明，核糖体蛋白是合成特别依赖 U₃₄修饰酶的一类蛋白质。敲除 Ctu1 或 Elp3 会导致核糖体蛋白在新合成蛋白质组中整体下降，但其转录水平未降低。核糖体蛋白 mRNA 中 AAA 密码子含量高，其翻译效率依赖 U₃₄修饰酶。此外，与核糖体生物发生、RNA 代谢等相关的蛋白质组在 U₃₄修饰酶缺陷细胞的新合成蛋白质组中也显著减少，而细胞外基质蛋白等少数蛋白质组则有所增加。虽然 U₃₄修饰酶缺陷会导致核糖体蛋白合成减少，但对其稳态水平影响较小。
4. mTORC1 与 U₃₄修饰酶协同作用于核糖体蛋白合成：mTORC1 对核糖体蛋白合成至关重要，但对 VAA 密码子的高效翻译并非必需。单独抑制 mTORC1 或敲除 U₃₄修饰酶，对核糖体蛋白合成的影响相对较小，但同时抑制二者会导致核糖体蛋白在新合成蛋白质组中显著减少，在稳态蛋白质组中的水平也大幅下降，且这种减少并非由自噬诱导引起。研究还发现，Rpl29 和 Rps25 等核糖体蛋白的 mRNA 翻译依赖 Ctu1，将其 mRNA 中的 VAA 密码子替换为 U₃₄修饰酶非依赖的 VAG 密码子后，在 Ctu1 缺陷细胞中的表达不受影响。
5. mTORC1 与 U₃₄修饰酶协同维持翻译能力：长期抑制 mTORC1 或上游生长因子信号，再结合 U₃₄修饰酶的基因敲除，会强烈抑制细胞的整体蛋白质合成，表现为嘌呤霉素掺入新生多肽的量显著减少。短期抑制 mTORC1 对蛋白质合成影响较小，而持续抑制则几乎完全抑制嘌呤霉素掺入。在 U₃₄修饰酶缺陷细胞中重新激活 mTORC1，其翻译能力的提升也受到限制，说明同时抑制 mTORC1 和 tRNA U₃₄修饰酶会耗尽蛋白质合成机器，限制细胞的翻译能力。

研究结论与讨论

本研究揭示了 mTORC1 信号通路与 tRNA 修饰途径在蛋白质合成中的功能相互作用，核糖体蛋白合成是这两种翻译调节因子的汇聚点。同时抑制 mTORC1 和 U₃₄修饰酶会耗尽细胞中的核糖体蛋白，导致翻译能力崩溃，抑制细胞生长。这一发现不仅加深了人们对细胞蛋白质合成调控机制的理解，还为癌症治疗提供了新的潜在靶点。

在以往研究中，虽然对 tRNA U₃₄修饰的功能有一定认识，但对其如何影响特定蛋白质和蛋白质组子集的翻译输出仍不清楚。本研究通过多种技术的综合运用，系统地阐述了 U₃₄修饰酶在哺乳动物细胞中的功能，发现特定密码子（如 AAA）比整体 VAA 密码子含量更能预测 mRNA 翻译对 U₃₄修饰酶的依赖性。此外，研究还表明，U₃₄修饰酶缺陷细胞对 mTORC1 抑制剂的敏感性，源于其在促进核糖体蛋白合成方面的重要作用，当 mTORC1 失活时，这种作用变得不可或缺。

癌症细胞常通过失调翻译来促进生长，mTORC1 和 U₃₄修饰酶在癌症细胞的翻译调控中都起着重要作用。本研究提示，联合抑制 mTORC1 和 U₃₄修饰酶可能是靶向癌症细胞异常翻译程序的有效策略，为癌症治疗开辟了新的方向。但目前 mTORC1 抑制剂在治疗人类癌症方面疗效有限，未来还需进一步探索联合治疗的具体方案和潜在机制，以提高癌症治疗效果。