유전자 - 단백질 합성. ... 리보솜 탐구

[문형철]

리보솜

인체에는 2만개의 유전자가 있다. 

이 유전자 정보를 가진 DNA 전사, RNA 번역

리보솜에서 단백질을 만듬

1. nature  
2. signal transduction and targeted therapy  
3. review articles  
4. article

• Review Article
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• Published: 09 January 2023

Ribosome biogenesis in disease: new players and therapeutic targets

• Lijuan Jiao, 
• Yuzhe Liu, 
• Xi-Yong Yu, 
• Xiangbin Pan, 
• Yu Zhang, 
• Junchu Tu, 
• Yao-Hua Song & 
• Yangxin Li 

Signal Transduction and Targeted Therapy volume 8, Article number: 15 (2023) Cite this article

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The ribosome is a multi-unit complex that translates mRNA into protein. Ribosome biogenesis is the process that generates ribosomes and plays an essential role in cell proliferation, differentiation, apoptosis, development, and transformation. The mTORC1, Myc, and noncoding RNA signaling pathways are the primary mediators that work jointly with RNA polymerases and ribosome proteins to control ribosome biogenesis and protein synthesis. Activation of mTORC1 is required for normal fetal growth and development and tissue regeneration after birth. Myc is implicated in cancer development by enhancing RNA Pol II activity, leading to uncontrolled cancer cell growth. The deregulation of noncoding RNAs such as microRNAs, long noncoding RNAs, and circular RNAs is involved in developing blood, neurodegenerative diseases, and atherosclerosis. We review the similarities and differences between eukaryotic and bacterial ribosomes and the molecular mechanism of ribosome-targeting antibiotics and bacterial resistance. We also review the most recent findings of ribosome dysfunction in COVID-19 and other conditions and discuss the consequences of ribosome frameshifting, ribosome-stalling, and ribosome-collision. We summarize the role of ribosome biogenesis in the development of various diseases. Furthermore, we review the current clinical trials, prospective vaccines for COVID-19, and therapies targeting ribosome biogenesis in cancer, cardiovascular disease, aging, and neurodegenerative disease.

리보솜은

mRNA를 단백질로 번역하는 다중 단위 복합체입니다.

리보솜 생합성은 리보솜을 생성하는 과정으로,

세포 증식, 분화, 사멸, 발달, 변형에 필수적인 역할을 합니다.

mTORC1, Myc, 및 비코딩 RNA 신호전달 경로는

RNA 중합효소와 리보솜 단백질과 협력하여

리보솜 생합성과 단백질 합성을 조절하는 주요 매개체입니다.

mTORC1의 활성화는

정상적인 태아 성장과 발달, 출생 후 조직 재생에 필수적입니다.

Myc는

RNA 폴리메라제 II 활성을 증가시켜

암 세포의 무제한 증식을 유발함으로써 암 발생에 관여합니다.

마이크로RNA, 장쇄 비코딩 RNA, 원형 RNA와 같은 비코딩 RNA의 조절 장애는

혈액 질환, 신경퇴행성 질환, 동맥경화증의 발생에 관여합니다.

우리는

진핵생물과 세균의 리보솜 간의 유사점과 차이점,

리보솜 표적 항생제의 분자 메커니즘 및 세균 저항성을 검토합니다.

또한 COVID-19 및 기타 질환에서의 리보솜 기능 장애의 최신 연구 결과를 검토하고 리보솜 프레임 시프트, 리보솜 정지, 리보솜 충돌의 영향을 논의합니다. 리보솜 생성이 다양한 질환의 발달에 미치는 역할을 요약합니다. 또한 COVID-19에 대한 현재 임상 시험, 전망 있는 백신, 암, 심혈관 질환, 노화, 신경퇴행성 질환에서 리보솜 생합성을 표적으로 하는 치료법을 검토합니다.

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Introduction

The primary function of the ribosome is to synthesize proteins with mRNA as a template and amino acids as raw materials.1 Studies have demonstrated that the ribosome affects the rate of protein synthesis and plays a role in cell proliferation, differentiation, apoptosis, and transformation.2,3,4 When the ribosome is abnormal, it can severely affect the cell fate, causing various ribosome-related diseases such as COVID-19 virus infection, bacterial resistance, cardiovascular diseases (CVD), blood diseases, neurodegenerative diseases, and cancer.5,6,7 This review focuses on ribosome abnormalities to explore the molecular mechanisms of common diseases. Along this line, we discussed how the ribosome biogenesis pathway could be targeted for therapeutic purposes. For example, ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1) and nucleolin (Ncl) are drug targets for the treatment of cardiac hypertrophy and myocardial infarction (MI).

서론

리보솜의 주요 기능은

mRNA를 템플릿으로,

아미노산을 원료로 단백질을 합성하는 것입니다.1

연구 결과,

리보솜은 단백질 합성 속도에 영향을 미치며

세포 증식, 분화, 사멸, 변형에 역할을 합니다. 2,3,4

리보솜이 이상일 경우

세포 운명에 심각한 영향을 미쳐

코로나19 바이러스 감염, 세균 내성, 심혈관 질환(CVD), 혈액 질환, 신경퇴행성 질환, 암 등

다양한 리보솜 관련 질환을 유발할 수 있습니다.5,6,7

이 리뷰는 리보솜 이상을 중심으로 일반적인 질환의 분자적 메커니즘을 탐구합니다.

이 맥락에서 리보솜 생합성 경로를 치료 목적으로 표적화할 수 있는 방법을 논의했습니다.

예를 들어, 리보솜 단백질 S6 키나제 1(S6K1)과 뉴클레올린(Ncl)은 심근 비대증과 심근경색(MI) 치료를 위한 약물 표적입니다.

Ribosomes and ribosome biogenesis

Eukaryotic ribosome

Ribosomes comprise four ribosomal RNAs (rRNAs) and 80 ribosomal proteins (RPs). The eukaryotic ribosome includes two subunits, the 40S small subunit, and the 60S large subunit, which combine to form the 80S ribosome with translational activity.8 The 40S subunit is responsible for recognizing and binding messenger RNA (mRNA), while the function of the 60S subunit is to form peptide bonds. Hence, the ribosome is known as the “protein synthesis factory.”

Ribosome biogenesis is the process of assembling the ribosome complex.9 This highly coordinated process is closely associated with protein synthesis, cell proliferation, differentiation, and apoptosis.10 Specifically, the process demands the organized synthesis of four rRNAs, 80 RPs, and ~70 small nucleolar RNAs.11,12 Within the nucleolus, the 47S pre-rRNA is transcribed from rDNA and cleaved to yield the 18S, 5.8S, and 28S rRNA. After synthesis in the cytoplasm, the RPs are imported to the nucleus to join the rRNAs. After modifications by snoRNAs, the rRNAs exit from the nucleolus. The 60S ribosome subunit is formed when the 5.8S, 28S rRNA is joined by the 5S rRNA in the nucleus and exported to the cytoplasm, while the 40S ribosome subunit is formed from the 18S rRNA. In the nucleolus of eukaryote cells, rRNA, RPs, small nucleolar RNAs, and other closely-related proteins participate in the generation of ribosome precursor 60S (pre-60S) and precursor 40S (pre-40S). The final ribosome assembly and maturation are completed when these molecules are exported to the cytoplasm (Fig. 1a).13

리보솜과 리보솜 생합성

진핵생물 리보솜

리보솜은

4개의 리보솜 RNA(rRNA)와

80개의 리보솜 단백질(RP)로 구성됩니다.

진핵생물의 리보솜은

40S 소단위체와 60S 대단위체로 구성되며,

이 두 단위체가 결합하여 번역 활성을 가진 80S 리보솜을 형성합니다.8

40S 단위체는 메신저 RNA(mRNA)를 인식하고 결합하는 역할을 하며,

60S 단위체는 펩타이드 결합을 형성하는 기능을 합니다.

따라서 리보솜은 “단백질 합성 공장”으로 알려져 있습니다.

리보솜 생성은

리보솜 복합체를 조립하는 과정입니다.9

이 고도로 조율된 과정은

단백질 합성, 세포 증식, 분화 및 세포 사멸과 밀접한 관련이 있습니다. 10

구체적으로 이 과정은

4개의 rRNA, 80개의 RP, 및 약 70개의 소핵소체 RNA의 조직화된 합성을 요구합니다.11,12

핵소체 내에서 47S 전-rRNA는 rDNA로부터 전사되어

18S, 5.8S, 및 28S rRNA로 절단됩니다.

세포질에서 합성된 RP는

핵으로 수입되어 rRNA와 결합합니다.

snoRNA에 의해 수정된 후 rRNA는 핵소체를 벗어나게 됩니다. 5.8S 및 28S rRNA가 5S rRNA와 결합하여 핵에서 60S 리보솜 서브유닛이 형성되고 세포질로 수출되며, 18S rRNA는 40S 리보솜 서브유닛을 형성합니다. 진핵세포의 핵소체에서 rRNA, RPs, 소형 핵소체 RNA 및 기타 관련 단백질은 리보솜 전구체 60S (pre-60S)와 전구체 40S (pre-40S)의 생성에 참여합니다. 이 분자들이 세포질로 수출될 때 최종 리보솜 조립과 성숙이 완료됩니다 (그림 1a).13

Fig. 1

Schematic of ribosome biogenesis. 

a Eukaryotic ribosome biogenesis is a highly orchestrated process involving RNA Pol I, Pol II, and Pol III, which are responsible for transcribing rDNA to rRNA, producing 47S pre-rRNA in the nucleolus. The 4 rRNAs then assemble together with RPs to form a small ribosomal subunit (40S) and a large ribosomal subunit (60S). After assembly, the ribosome complex is exported from the nucleolus to the cytoplasm to form mature ribosomes for protein synthesis. 

b Bacterial ribosome biogenesis starts with the transcription of the precursors of 23S, 16S, and 5S rRNAs, and some tRNAs in the cytoplasm. The rRNAs then assemble with RPs to form a 30S small subunit and a 50S large subunit. After assembly, the ribosome complex forms mature ribosomes for protein synthesis. RP ribosome protein, RNA pol Ι/II/III RNA polymerase Ι/II/III, RNAP RNA polymerase, rDNA ribosomal DNA, rRNA, ribosomal RNA, tRNA transfer RNA

리보솜 생합성 과정의 개요.

a 진핵생물의 리보솜 생합성은

RNA 폴리메라제 I, II, III가 관여하는 정교하게 조율된 과정으로,

이 효소들은 rDNA를 rRNA로 전사하여

핵소체에서 47S 전리보솜 RNA를 생성합니다.

이 4개의 rRNA는 리보솜 단백질(RPs)과 결합하여

작은 리보솜 서브유닛(40S)과 큰 리보솜 서브유닛(60S)을 형성합니다.

조립 후 리보솜 복합체는

핵소체에서 세포질로 수출되어 단백질 합성에 사용되는

성숙한 리보솜을 형성합니다.

b 세균의 리보솜 생합성은 세포질에서 23S, 16S, 5S rRNA의 전구체와 일부 tRNA의 전사로부터 시작됩니다. rRNA는 RP와 결합하여 30S 소단위체와 50S 대단위체를 형성합니다. 조립 후, 리보솜 복합체는 단백질 합성을 위한 성숙한 리보솜을 형성합니다. RP 리보솜 단백질, RNA pol Ι/II/III RNA 중합효소 Ι/II/III, RNAP RNA 중합효소, rDNA 리보솜 DNA, rRNA, 리보솜 RNA, tRNA 전사 RNA

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The maturation needs a series of chemical modifications of precursor rRNAs (pre-rRNAs). RNA polymerase I (Pol I) is required to process pre-47S transcripts into 5.8S, 18S, and 28S rRNA, and RNA polymerase III (Pol III) is responsible for the transcription of 5S rRNA.13 RPs are assembled into pre-rRNA transcripts and accelerate the formation of mature rRNA.14,15 Some RPs have other functions besides making ribosomes, including replication of DNA and cell division.16,17 Of note, ribosome dysfunction can lead to cellular dysfunction and eventually induce various diseases.

성숙 과정은 전구체 rRNA(pre-rRNA)의 일련의 화학 변형을 필요로 합니다. RNA 중합효소 I(Pol I)은 pre-47S 전사물을 5.8S, 18S, 및 28S rRNA로 가공하는 데 필요하며, RNA 중합효소 III(Pol III)은 5S rRNA의 전사를 담당합니다.13 RPs는 pre-rRNA 전사물에 조립되어 성숙한 rRNA의 형성을 가속화합니다. 14,15 일부 RP는 리보솜 합성 외에도 DNA 복제와 세포 분열과 같은 다른 기능을 수행합니다.16,17 특히, 리보솜 기능 장애는 세포 기능 장애를 초래하고 결국 다양한 질병을 유발할 수 있습니다.

Bacteria ribosome

Bacteria do not have a nucleus but have a cell wall, cell membrane, cytoplasm, and ribosomes. The bacterial ribosome is formed by the 30S, and 50S subunits, including three types of rRNA (23S, 16S, and 5S rRNA) and 54 RPs.18 Biogenesis of the bacterial ribosome starts when the primary rRNAs are transcribed, including 23S, 16S, and 5S rRNA precursors and some transfer RNAs (tRNAs).19 This process requires the participation of RNA polymerase (RNAP), a multi-subunit enzyme that synthesizes all types of RNA and catalyzes the transcription process of rDNA.20 Precursors of rRNAs and tRNAs fold into a unique structure, then excised from their primary transcripts. The 16S rRNA then assembles with RPs to form a 30S small subunit, while the 23S and 5S rRNAs assemble to form a 50S large subunit. The bacterial ribosomes are synthesized in the cytoplasm. After assembly, the ribosome complex forms the 70S mature ribosome rather than 80S due to tertiary structure (Fig. 1b).

Ribosome biogenesis is the process of creating ribosomes in a highly regulated manner. This process involves the synthesis of rRNAs and many RPs, which are required for proliferation and cell division.

세균 리보솜

세균은 핵을 가지고 있지 않지만 세포벽, 세포막, 세포질, 그리고 리보솜을 가지고 있습니다. 세균의 리보솜은 30S와 50S 서브유닛으로 구성되며, 3가지 유형의 rRNA(23S, 16S, 5S rRNA)와 54개의 RP로 이루어져 있습니다.18 세균 리보솜의 생성은 23S, 16S, 5S rRNA 전구체와 일부 전사 RNA(tRNA)가 전사되는 것으로 시작됩니다. 19 이 과정에는 모든 유형의 RNA를 합성하고 rDNA의 전사 과정을 촉매하는 다중 서브유닛 효소인 RNA 폴리메라제(RNAP)가 참여합니다.20 rRNA와 tRNA의 전구체는 독특한 구조로 접힌 후 원시 전사체에서 절단됩니다. 16S rRNA는 RPs와 결합하여 30S 소단위를 형성하며, 23S와 5S rRNA는 결합하여 50S 대단위를 형성합니다. 세균 리보솜은 세포질에서 합성됩니다. 조립 후 리보솜 복합체는 삼차 구조로 인해 80S가 아닌 70S 성숙 리보솜을 형성합니다(그림 1b).

리보솜 생합성은 엄격히 조절되는 방식으로 리보솜을 생성하는 과정입니다. 이 과정은 증식과 세포 분열에 필요한 rRNA와 많은 RP의 합성을 포함합니다.

Signaling pathways involved in ribosome biogenesis

Ribosome biogenesis is regulated by several signaling pathways, among which mammalian targets of rapamycin (mTOR), myelocytomatosis oncogene (Myc), and noncoding RNA (ncRNA) are the most important regulators.

mTOR

mTOR is a serine/threonine kinase that regulates ribosome biogenesis. mTOR is assembled into multiple complexes, such as mTOR complex 1/2 (mTORC1/2).21 mTORC1 senses environmental cues to promote cellular anabolism and inhibit catabolism. The mTORC1 pathway regulates pre-rRNA transcription, rRNA synthesis, and RP expression‎. mTORC1 positively regulates rDNA transcription by activating S6K1 and promotes the synthesis of ribosomal 40S subunits through RPS6. mTORC1 promotes the initiation and elongation of mRNA through eIF4E and eIF2α. mTORC1 also induces translation initiation by inactivating 4E-BPs. The RP assembly factor Urb1 is a downstream target of mTORC1 signaling. mTORC1 promotes the translation of mRNA by inhibiting the binding of LARP1 and PABPC1 (Fig. 2).22

리보솜 생합성에 관여하는 신호전달 경로

리보솜 생합성은

여러 신호전달 경로에 의해 조절되며,

이 중 포유류 라파마이신 표적 단백질(mTOR),

골수종 종양유전자(Myc),

비코딩 RNA(ncRNA)가 가장 중요한 조절인자입니다.

mTOR

mTOR는

리보솜 생합성을 조절하는 세린/트레오닌 키나아제입니다.

mTOR는

mTOR 복합체 1/2(mTORC1/2)와 같은 여러 복합체로 조립됩니다.21

mTORC1은

환경 신호를 감지하여 세포 내 합성 과정을 촉진하고 분해 과정을 억제합니다.

mTORC1 경로는

전-리보솜 RNA(pre-rRNA) 전사,

리보솜 RNA(rRNA) 합성, 및 리보솜 복합체(RP) 발현을 조절합니다.

mTORC1은

S6K1을 활성화하여 rDNA 전사를 긍정적으로 조절하며,

RPS6를 통해 리보솜 40S 서브유닛 합성을 촉진합니다.

mTORC1은 eIF4E 및 eIF2α를 통해 mRNA의 시작과 연장 과정을 촉진합니다. mTORC1은 4E-BPs를 비활성화하여 번역 시작을 유도합니다. RP 조립 인자 Urb1은 mTORC1 신호전달의 하류 표적입니다. mTORC1은 LARP1과 PABPC1의 결합을 억제함으로써 mRNA의 번역을 촉진합니다(그림 2).22

Fig. 2

mTORC1 and ribosome biogenesis.

Through phosphorylation, mTORC1 activates S6K1, which enhances rDNA transcription. mTORC1phosphorylates RPS6 to promote the synthesis of ribosomal 40S subunits, actively regulates the formation of RPS10 and RPL26, and promotes the initiation and elongation of mRNA through eIF4E and eIF2α, respectively. mTORC1 also phosphorylates and inactivates 4E-BPs to induce translation initiation. The RP assembly factor Urb1 is a downstream target of mTORC1 signaling. mTORC1 inhibits the binding of LARP1 and PABPC1 to promote mRNA translation and protein synthesis.

mTORC1과 리보솜 생합성. 

인산화 과정을 통해 mTORC1은 S6K1을 활성화시켜 rDNA 전사를 촉진합니다. mTORC1은 RPS6를 인산화하여 리보솜 40S 서브유닛의 합성을 촉진하며, RPS10과 RPL26의 형성을 적극적으로 조절하고, 각각 eIF4E와 eIF2α를 통해 mRNA의 번역 시작과 연장 과정을 촉진합니다. mTORC1은 4E-BPs를 인산화하여 비활성화시켜 번역 시작을 유도합니다. RP 조립 인자 Urb1은 mTORC1 신호전달의 하류 표적입니다. mTORC1은 LARP1과 PABPC1의 결합을 억제하여 mRNA 번역과 단백질 합성을 촉진합니다.

mTORC1 mammalian target of rapamycin C1, rDNA ribosomal DNA, S6K1 S6 kinase 1, 4E-BP 4E-binding protein

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Ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1) is under the control of mTORC1 signaling.23 By activating the mTORC1/S6K1 pathway, checkpoint kinase 1 stimulates myocardial regeneration.3 Positive regulation of mTORC1 is required for normal fetal growth and development,24 and decreased expression‎ of the RPs RPL26 and RPS10 in the placenta leads to intrauterine growth restriction in pregnant women. In addition, Urb1, an assembly factor of RPs, functions as a downstream target of mTORC1 signaling to promote the formation of the digestive systems in zebrafish.25 Therefore, the mTORC1/S6K1/RPL26/RPS10 ribosome biogenesis pathway plays an essential role in tissue development, growth, and regeneration.

mTORC1/S6K1 also regulates mRNA translation through multiple factors. The eukaryotic elongation factor 2 (eEF2) mediates ribosomal translocation.26 Its activity is inhibited by phosphorylation. S6K1 can enhance the activity of eEF2 by reducing its phosphorylation.27 The eukaryotic initiation factor 4G (eIF4G) phosphorylation stimulates protein synthesis. Vary et al.28 showed that mTORC1/S6K1 stimulates protein synthesis during skeletal muscle regeneration by increasing the phosphorylation of eIF4G. La-related protein 1 (LARP1) is an RNA-binding protein that regulates RP production. Smith et al.29 showed that inhibition of mTORC1 increases the binding of LARP1 to poly (A)-binding protein cytoplasmic 1 (PABPC1), resulting in translational inhibition of mRNA.

Moreover, 4E-binding protein 1 (4E-BP1), a key translation initiation factor downstream of mTORC1, is involved in metabolism, translation, and cell growth.30 Phosphorylation of 4E-BP1 results in the dissociation of 4E-BP1 from eIF4E, and association with eIF4G.31 eIF4G acts as a docking site to assemble other initiation factors, including eIF4A, which is an RNA helicase that interacts with eIF3 to recruit 40S ribosomes and other important initiation factors to the 5’ region of mRNA and begin protein synthesis.32

Importantly, inhibition of abnormal ribosome biogenesis using drugs that inhibit mTORC1/ribosomal protein S6 (RPS6) signaling is an effective strategy to treat cancer.33 Calvisi et al.34 showed that the activity of mTORC1 and RPS6 is higher in human hepatocellular carcinoma tissue than in the normal liver and promotes tumor progression. In addition, the mTORC1 inhibitor rapamycin significantly inhibits mTORC1 activity in cancer and RPS6 phosphorylation levels in bladder cancer. Similarly, rapamycin effectively inhibits the proliferation of lymphoma cells by inactivating the mTORC1/RPS6 signaling pathway and downregulating the expression‎ of phosphorylated RPS6.35 PIK3CA mutations are common in some cancers. The mTORC1 inhibitor everolimus effectively inhibits cancer cell proliferation and differentiation in PIK3CA mutant colorectal cancer by reducing the phosphorylation level of RPS6.36

In summary, ribosome biogenesis regulated by mTORC1 plays a key role in tissue regeneration and cancer development.

리보솜 단백질 S6 키나제 1(S6K1)은 mTORC1 신호전달 경로의 조절을 받습니다.23 mTORC1/S6K1 경로를 활성화함으로써 체크포인트 키나제 1은 심근 재생 과정을 자극합니다. 3 mTORC1의 긍정적 조절은 정상적인 태아 성장과 발달에 필수적이며,24 태반에서 RPs RPL26 및 RPS10의 발현 감소는 임신 여성에서 자궁 내 성장 지연을 유발합니다. 또한 RP의 조립 인자인 Urb1은 mTORC1 신호전달의 하류 표적으로 작용하여 제브라피시의 소화계 형성을 촉진합니다.25 따라서 mTORC1/S6K1/RPL26/RPS10 리보솜 생합성 경로는 조직 발달, 성장, 및 재생에 필수적인 역할을 합니다.

mTORC1/S6K1은 다중 인자를 통해 mRNA 번역을 조절합니다. 진핵생물 연장 인자 2(eEF2)는 리보솜 이동을 매개합니다.26 그 활성은 인산화에 의해 억제됩니다. S6K1은 eEF2의 인산화를 감소시켜 그 활성을 증강시킵니다.27 진핵생물 초기화 인자 4G(eIF4G)의 인산화는 단백질 합성을 자극합니다. Vary 등28은 골격근 재생 과정에서 mTORC1/S6K1이 eIF4G의 인산화를 증가시켜 단백질 합성을 자극함을 보여주었습니다. La 관련 단백질 1(LARP1)은 RP 생산을 조절하는 RNA 결합 단백질입니다. Smith 등29은 mTORC1 억제가 LARP1과 poly (A)-결합 단백질 세포질 1(PABPC1)의 결합을 증가시켜 mRNA 번역 억제를 유발함을 보여주었습니다.

또한 mTORC1 하류의 주요 번역 시작 인자인 4E 결합 단백질 1(4E-BP1)은 대사, 번역, 세포 성장에 관여합니다.30 4E-BP1의 인산화는 4E-BP1이 eIF4E로부터 분리되고 eIF4G와 결합하도록 합니다. 31 eIF4G는 eIF4A를 포함한 다른 초기화 인자의 조립을 위한 도킹 사이트로 작용합니다. eIF4A는 eIF3와 상호작용하여 40S 리보솜과 다른 중요한 초기화 인자를 mRNA의 5' 영역으로 모집하고 단백질 합성을 시작합니다.32

중요하게도, mTORC1/리보솜 단백질 S6 (RPS6) 신호전달을 억제하는 약물을 사용하여 비정상적인 리보솜 생성을 억제하는 것은 암 치료에 효과적인 전략입니다.33 Calvisi 등34은 인간 간세포 암종 조직에서 mTORC1 및 RPS6의 활성이 정상 간보다 높으며 종양 진행을 촉진함을 보여주었습니다. 또한 mTORC1 억제제인 라파마이신은 암에서 mTORC1 활성과 방광암에서의 RPS6 인산화 수준을 유의미하게 억제합니다. 마찬가지로 라파마이신은 mTORC1/RPS6 신호전달 경로를 비활성화하고 인산화된 RPS6의 발현을 억제함으로써 림프종 세포의 증식을 효과적으로 억제합니다.35 PIK3CA 돌연변이는 일부 암에서 흔히 발생합니다. mTORC1 억제제인 에버롤리무스는 PIK3CA 변이 대장암에서 RPS6 인산화 수준을 감소시켜 암 세포의 증식과 분화를 효과적으로 억제합니다.36

요약하면,

mTORC1에 의해 조절되는 리보솜 생합성은

조직 재생과 암 발달에 핵심적인 역할을 합니다.

Myc

Myc is one of the proto-oncogenes involved in abnormal ribosome biogenesis.37 An abnormal increase in nuclear size and quantity caused by Myc can be seen in most cancers. Mechanistically, Myc mainly regulates ribosome biogenesis through RNA Pol I–III-mediated rDNA transcription through UBF and SL1, rRNA processing and transcription of RPS and RPL, and the transcription of 5S rRNA and tRNA (Fig. 3).38,39

Myc

Myc는 비정상적인 리보솜 생성에 관여하는 원시 종양 유전자 중 하나입니다.37

Myc에 의해 유발되는 핵의 크기 및 수의 비정상적인 증가는 대부분의 암에서 관찰됩니다.

기전적으로 Myc는 UBF와 SL1을 통해 RNA Pol I–III에 의해 조절되는

rDNA 전사, rRNA 처리 및 RPS와 RPL의 전사, 그리고

5S rRNA와 tRNA의 전사를 통해 리보솜 생성을 주로 조절합니다(그림 3).38,39

Fig. 3

Myc regulates ribosome biogenesis. Myc directly regulates rRNA processing, ribosome assembly, translocation from the nucleus to the cytoplasm, and the early steps of mRNA translation. Myc upregulates the transcriptional levels of these factors by recruiting cofactors and remodeling chromatin structure. Myc promotes RNA Pol I-mediated rDNA transcription by binding to UBF and SL1. After transcription, the 47S pre-rRNA is processed into mature 5.8S, 18S, and 28S rRNA. The Myc–STP5/SEC complex stimulates rRNA processing and transcription of RPS and RPL for export in an RNA Pol II-dependent manner. Myc binds transcription factor IIIB (TFIIIB) and activates the transcription of 5S rRNA and tRNA mediated by RNA Pol III. Finally, Myc stimulates RP synthesis through these RNA Pol I–III pathways.

Myc는 리보솜 생합성을 조절합니다. Myc는 rRNA 처리, 리보솜 조립, 핵에서 세포질로의 이동, 그리고 mRNA 번역의 초기 단계를 직접 조절합니다. Myc는 코인자(cofactor)를 모집하고 염색질 구조를 재구성함으로써 이러한 인자의 전사 수준을 증가시킵니다. Myc는 UBF와 SL1에 결합하여 RNA Pol I에 의한 rDNA 전사를 촉진합니다. 전사 후, 47S 전-리보솜 RNA는 성숙한 5.8S, 18S, 및 28S 리보솜 RNA로 처리됩니다. Myc–STP5/SEC 복합체는 RNA Pol II에 의존적으로 RPS 및 RPL의 전사와 리보솜 RNA 처리 및 수출을 자극합니다. Myc는 전사 인자 IIIB (TFIIIB)에 결합하여 RNA Pol III에 의해 매개되는 5S rRNA 및 tRNA의 전사를 활성화합니다. 최종적으로 Myc는 이러한 RNA Pol I–III 경로를 통해 RP 합성을 촉진합니다.

Myc myelocytomatosis oncogene, SL1 selectivity factor 1, TFIIIB transcription factor IIIB, UBF upstream binding factor

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Myc promotes the transcription of rDNA in an RNA Pol I-dependent manner by recruiting upstream binding factor (UBF) and selectivity factor 1 (SL1) and enhancing their expression‎. SL1 is a transcription factor that facilitates the transcription of rRNA by recruiting RNA Pol I.40 Myc recruits RNA Pol I to target promoters by interacting with the TBP-associated factor, a component of the SL1 complex.41 CX-5461, a small molecule inhibitor of RNA Pol I, represses the proliferation of neuroblastoma cells42 and myeloma by inhibiting Myc expression‎ and activating p53, leading to cancer cell apoptosis.43 Therefore, targeting ribosome biogenesis provides a new opportunity to treat tumors expressing high levels of Myc.

Upon binding to the initiation factor factor-IA (TIF-IA, also named RRN3), RNA Pol I is activated and recruited to the ribosomal DNA promoter.44 In medulloblastoma cells with high Myc expression‎, the increased rRNA synthesis is associated with increased expression‎ of RNA Pol I-specific transcription initiation factor RRN3/TIF-IA.45 Interestingly, repression of rDNA transcription by CX-5461 is irreversible, and the RNA Pol I-RRN3 complex remains irreversibly locked in the pre-initiation complex even after drug removal. Furthermore, c-Myc overexpression‎ is sufficient to stimulate the biogenesis 47S pre-rRNA, total RNA, and protein synthesis in skeletal muscle without activating mTORC1.46

Myc promotes uncontrolled cancer cell growth by enhancing RNA Pol II activity to maintain rapidly-progressive transcriptional elongation.47 The super-extension complex (SEC) is required for robust and efficient transcription by RNA Pol II. Abnormal SEC activity can induce cancer. In a Myc-driven mouse cancer model, disruption of the SEC protein downregulates Myc-dependent transcriptional programs in cancer cells, reducing ribosome biogenesis and slowing cancer progression.48 This suggests that small molecules targeting SEC can be used to treat Myc-induced cancer. Furthermore, overexpression‎ of the human RNA Pol II-associated factor 1 complex (hPAF1C) is associated with the development of various cancers. Recent studies have demonstrated that hPAF1C is positively correlated with Myc, and non-small cell lung cancer patients with low hPAF1C expression‎ have better overall survival. It has been shown that hPAF1C can promote lung cancer cell proliferation by enhancing

Myc transcription.49

RNA Pol III employs specific transcription factors to drive the target genes.50 Myc increases the expression‎ of 43% of the genes encoding RNA Pol III-specific subunits.51 Myc enhances the function of 5S rRNA and RNA pol III in various cell types.52,53,54 An increase in Myc expression‎ results in enhanced 5S rRNA synthesis in cardiomyocytes and hepatocytes.54,55 The effect of Myc on RNA Pol III-dependent transcription is epigenetically regulated.56 Myc is also recruited to Pol III target genes through the RNA Pol III-specific transcription factor TFIIIB/C in different cell types.57 TFIIIC recruits Myc and the related histone acetyltransferase to promote binding to TFIIIB.58 Thus, Myc regulates ribosome biogenesis by interacting with RNA Pol III at the promoters of its target genes.

Noncoding RNAs (ncRNAs)

Recent studies have shown that ncRNAs such as microRNAs (miRNAs), long noncoding RNAs (lncRNAs), and circular RNAs (circRNAs) are involved in regulating ribosome biogenesis (Fig. 4). miR-424-5p downregulates mature rRNA levels by targeting the RNA Pol I pre-priming complex factors POLR1A and UBTF. miR-20a, miR-194, and miR-206 affect processing of 47S pre-RNA by inhibiting Ncl expression‎. miR-595 inhibits the synthesis of the mature 60S subunit by reducing the expression‎ of RPL27A. lncRNA inhibits translation by reducing pre-rRNA levels through modification of rDNA chromatin. circRNA recruits the 40S ribosomal subunit to facilitate the initiation of protein synthesis.

Myc는 상류 결합 인자(UBF)와 선택성 인자 1(SL1)을 모집하고 그들의 발현을 증강함으로써 RNA Pol I에 의존적인 방식으로 rDNA의 전사를 촉진합니다. SL1은 RNA Pol I을 모집하여 rRNA의 전사를 촉진하는 전사 인자입니다.40 Myc는 SL1 복합체의 구성 요소인 TBP 관련 인자와 상호작용하여 RNA Pol I을 표적 프로모터에 모집합니다. 41 RNA Pol I의 소분자 억제제인 CX-5461은 Myc 발현을 억제하고 p53을 활성화하여 신경모세포종 세포의 증식을 억제하며, 이는 암 세포의 아포토시스(세포 사멸)로 이어집니다.43 따라서 리보솜 생합성을 표적으로 삼는 것은 Myc 발현이 높은 종양을 치료하는 새로운 기회를 제공합니다.

RNA Pol I는 초기 인자 TIF-IA(RRN3로도 알려져 있음)에 결합하여 활성화되고 리보솜 DNA 프로모터로 모집됩니다.44 Myc 발현이 높은 메두로블라스토마 세포에서 rRNA 합성 증가와 RNA Pol I 특이적 전사 초기 인자 RRN3/TIF-IA의 발현 증가가 연관되어 있습니다. 45 흥미롭게도 CX-5461에 의한 rDNA 전사 억제는 가역적이지 않으며, RNA 폴리메라제 I-RRN3 복합체는 약물 제거 후에도 전초 복합체에 가역적으로 고정됩니다. 또한 c-Myc 과발현은 mTORC1 활성화를 유발하지 않고 골격근에서 47S 전-rRNA, 총 RNA 및 단백질 합성을 자극합니다.46

Myc는 RNA Pol II 활성을 강화하여 빠르게 진행되는 전사 연장 과정을 유지함으로써 무제한적인 암 세포 증식을 촉진합니다.47 RNA Pol II에 의한 강력하고 효율적인 전사를 위해 초장연장 복합체(SEC)가 필요합니다. SEC 활성의 이상은 암을 유발할 수 있습니다. Myc에 의해 유도된 마우스 암 모델에서 SEC 단백질의 파괴는 암 세포 내 Myc 의존적 전사 프로그램을 억제하여 리보솜 생성을 감소시키고 암 진행을 늦춥니다.48 이는 SEC를 표적으로 하는 소분자가 Myc에 의한 암 치료에 사용될 수 있음을 시사합니다. 또한 인간 RNA Pol II 연관 인자 1 복합체(hPAF1C)의 과발현은 다양한 암의 발생과 연관되어 있습니다. 최근 연구에서 hPAF1C는 Myc와 양의 상관관계를 보였으며, hPAF1C 발현이 낮은 비소세포 폐암 환자는 전체 생존율이 더 높았습니다. hPAF1C가 Myc 전사를 강화함으로써 폐암 세포 증식을 촉진한다는 것이 입증되었습니다.

Myc 전사.49

RNA Pol III는 특정 전사 인자를 활용해 표적 유전자를 활성화합니다. 50 Myc는 RNA Pol III 특이적 서브유닛을编码하는 유전자의 43% 발현을 증가시킵니다.51 Myc는 다양한 세포 유형에서 5S rRNA 및 RNA Pol III의 기능을 강화합니다.52,53,54 Myc 발현 증가 시 심근세포 및 간세포에서 5S rRNA 합성이 증가합니다.54,55 Myc의 RNA Pol III 의존적 전사 조절은 에피게노믹적으로 조절됩니다. 56 Myc는 다양한 세포 유형에서 RNA Pol III 특이적 전사 인자 TFIIIB/C를 통해 Pol III 표적 유전자에 모집됩니다.57 TFIIIC는 Myc와 관련된 히스톤 아세틸전달효소를 모집하여 TFIIIB와의 결합을 촉진합니다.58 따라서 Myc는 표적 유전자의 프로모터에서 RNA Pol III와 상호작용하여 리보솜 생합성을 조절합니다.

비코딩 RNA (ncRNA)

최근 연구에서 마이크로RNA(miRNA), 장쇄 비코딩 RNA(lncRNA), 원형 RNA(circRNA)와 같은 ncRNA가 리보솜 생성에 관여한다는 것이 밝혀졌습니다(그림 4). miR-424-5p는 RNA Pol I 사전 활성화 복합체 인자 POLR1A와 UBTF를 표적화하여 성숙 rRNA 수준을 감소시킵니다. miR-20a, miR-194, 및 miR-206은 Ncl 발현을 억제함으로써 47S 전-RNA의 처리 과정을 영향을 미칩니다. miR-595은 RPL27A 발현을 감소시켜 성숙한 60S 서브유닛의 합성을 억제합니다. lncRNA는 rDNA 염색질의 변형을 통해 전-rRNA 수준을 감소시켜 번역을 억제합니다. circRNA는 40S 리보솜 서브유닛을 모집하여 단백질 합성의 시작을 촉진합니다.

Fig. 4

ncRNA and ribosome biogenesis. a There is a strong link between miRNA and ribosome biogenesis. miR-424-5p is elevated and targets the RNA Pol I pre-priming complex factors POLR1A and UBTF, which in turn downregulate mature rRNA levels. miR-20a, miR-194, and miR-206 inhibit Ncl expression‎ by binding to the 3’UTR of Ncl, thereby affecting the subsequent splicing and processing of 47S pre-RNA. miR-595 inhibits ribosome biogenesis by reducing the expression‎ of RPL27A and the synthesis of the mature 60S subunit. b Increased expression‎ of lncRNA inhibits rDNA transcription through modification of rDNA chromatin, resulting in reduced pre-rRNA levels, mature rRNA levels, and overall translation. c circRNA recruits the 40S ribosomal subunit and initiates mRNA translation and protein synthesis. lncRNA long noncoding RNA, Ncl nucleolin, rDNA ribosomal RNA, pol Ι RNA polymerase Ι

ncRNA와 리보솜 생합성.

a miRNA와 리보솜 생합성 사이에 강한 연관성이 존재합니다. miR-424-5p는 증가하며, RNA Pol I 사전 활성화 복합체 인자 POLR1A와 UBTF를 표적화하여 성숙 rRNA 수준을 감소시킵니다. miR-20a, miR-194, 및 miR-206은 Ncl의 3'UTR에 결합하여 Ncl 발현을 억제하며, 이는 47S 전-RNA의 후속 스플라이싱 및 처리 과정에 영향을 미칩니다. miR-595은 RPL27A 발현을 감소시키고 성숙한 60S 서브유닛의 합성을 억제함으로써 리보솜 생합성을 억제합니다.

b lncRNA의 발현 증가가 rDNA 염색질의 변형을 통해 rDNA 전사 억제를 유발하여 전-rRNA 수준, 성숙 rRNA 수준 및 전체 번역을 감소시킵니다. c circRNA는 40S 리보솜 서브유닛을 모집하여 mRNA 번역 및 단백질 합성을 시작합니다. l

ncRNA 장쇄 비코딩 RNA, Ncl 뉴클레올린, rDNA 리보솜 RNA, pol Ι RNA 폴리메라제 Ι

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miRNAs are a type of short ncRNAs that regulate mRNA stability.59 Deregulation of miRNAs is involved in developing myelodysplastic syndrome (MDS) and Diamond-Blackfan anemia (DBA). The activation of miR-595, decreased ribosome protein RPL27A expression‎,60,61 and reduction of mature 60S subunits60 have been reported in patients with MDS, while the differential expression‎ of some miRNAs has been found in the zebrafish model of DBA.62 Patients with chronic obstructive pulmonary disease show increased expression‎ of miR-424-5p, which targets the RNA Pol I pre-priming complex factors POLR1A and UBTF. Upregulation of miR-424-5p is implicated in muscle wasting by inhibiting rRNA synthesis.63

lncRNAs also play important roles in ribosome biogenesis and serve as therapeutic targets or biomarkers in certain diseases. lncRNAs are >200 nt in length and highly diverse in characteristics, localization, and mode of action.64 Overexpression‎ of lncRNA reduces pre-rRNA levels, mature rRNA, and overall translation.65 Some lncRNAs control the transcriptional activity of pre-rRNA by modifying rDNA chromatin, while small nucleolar RNA-terminal lncRNA is involved in nucleolar localization by enhancing pre-rRNA transcription.66 An lncRNA-mediated reduction of ribosome biogenesis may cause neurodegenerative diseases. Of note, the level of lncRNA is elevated in the mouse model of Alzheimer’s disease and is associated with nucleolar stress and reduced rRNA production.67,68

circRNAs are widely present in mammalian cells,69 and were previously thought to act only as miRNA sponges to refine the miRNA-mRNA axis.70,71 Emerging evidence suggests that circRNAs have protein-coding potential because they are associated with polysomes, including the initiation codon AUG and open reading frames.72,73,74 circRNA can engage the 40S ribosomal subunit and start protein translation.75 Holdt et al.76 found that circANRIL prevents atherosclerosis by inhibiting the proliferation of vascular smooth muscle cells via controlling rRNA maturation and ribosome biogenesis.

In summary, mTORC1 is involved in multiple steps in ribosome biogenesis, including the synthesis of rRNA, ribosome proteins, and the processing of precursors of rRNA. Myc overexpression‎ increases ribosome biogenesis and is implicated in cancer cell growth. lncRNA-mediated reduction of ribosome biogenesis may cause neurodegenerative diseases. Deregulation of miRNAs contributes to the development of blood diseases. Thus, ribosome biogenesis is a potential druggable pathway for treating neurodegenerative and blood disorders.

miRNA는 mRNA 안정성을 조절하는 짧은 ncRNA의 한 유형입니다.59 miRNA의 조절 장애는 골수이형성 증후군(MDS)과 다이아몬드-블랙팬 빈혈(DBA)의 발생과 관련이 있습니다. MDS 환자에게서 miR-595의 활성화, 리보솜 단백질 RPL27A 발현 감소,60,61 및 성숙한 60S 서브유닛 감소가 보고되었으며, DBA의 제브라피시 모델에서 일부 miRNA의 차등 발현이 발견되었습니다. 62 만성 폐쇄성 폐질환 환자는 RNA 폴리메라제 I 사전 활성화 복합체 인자 POLR1A와 UBTF를 표적하는 miR-424-5p의 발현이 증가합니다. miR-424-5p의 발현 증가가 rRNA 합성을 억제하여 근육 위축과 연관되어 있습니다.63

lncRNA는

리보솜 생성에 중요한 역할을 하며

특정 질환에서 치료 표적이나 바이오마커로 활용됩니다.

lncRNA는

길이가 200 nt 이상이며

특성, 위치, 작용 메커니즘에서 높은 다양성을 보입니다.64

lncRNA의 과발현은

전-rRNA 수준, 성숙 rRNA, 전체 번역을 감소시킵니다. 65

일부 lncRNA는

rDNA 염색질 구조를 조절하여 pre-rRNA의 전사 활성을 조절하며,

소형 핵소체 RNA 말단 lncRNA는 pre-rRNA 전사 활성을 증강시켜 핵소체 국소화에 관여합니다.66

lncRNA에 의한 리보솜 생합성 감소는 신경퇴행성 질환을 유발할 수 있습니다.

주목할 점은 알츠하이머 병 마우스 모델에서 lncRNA 수준이 증가하며,

이는 핵소체 스트레스와 rRNA 생산 감소와 연관되어 있습니다.67,68

circRNA는 포유류 세포에 널리 존재하며,69 이전에는 miRNA 스폰지 역할을 통해 miRNA-mRNA 축을 정교화하는 것으로만 알려져 있었습니다.70,71 최근 연구 결과는 circRNA가 폴리좀과 연관되어 있으며, 시작 코돈 AUG와 개방형 읽기 틀을 포함하기 때문에 단백질 코딩 잠재력을 가질 수 있음을 시사합니다.72,73,74 circRNA는 40S 리보솜 서브유닛과 결합하여 단백질 번역을 시작할 수 있습니다. 75 Holdt 등76은 circANRIL이 rRNA 성숙과 리보솜 생성을 조절함으로써 혈관 평활근 세포의 증식을 억제하여 동맥경화를 예방한다는 사실을 발견했습니다.

요약하면,

mTORC1은

rRNA 합성, 리보솜 단백질 합성, rRNA 전구체 처리 등

리보솜 생성의 여러 단계에 관여합니다.

Myc 과발현은

리보솜 생합성을 증가시키며 암 세포 성장과 연관되어 있습니다.

lncRNA에 의한 리보솜 생합성 감소는

신경퇴행성 질환을 유발할 수 있습니다.

miRNA의 조절 장애는

혈액 질환의 발생에 기여합니다.

따라서 리보솜 생합성은 신경퇴행성 및 혈액 질환 치료를 위한 잠재적 약물 표적 경로입니다.

COVID-19 and ribosome biogenesis

The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic is caused by the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) (Fig. 5a). SARS-CoV-2 regulates ribosome biogenesis in host cells through multiple pathways. Nsp1 is used by the SARS-CoV-2 virus to block the entry of host mRNA while inducing the cleavage of host mRNAs.

COVID-19와 리보솜 생합성

코로나바이러스 질병 2019(COVID-19) 팬데믹은 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)에 의해 유발됩니다(그림 5a).

SARS-CoV-2는

호스트 세포에서 리보솜 생합성을 다양한 경로를 통해 조절합니다.

Nsp1은

SARS-CoV-2 바이러스가 호스트 mRNA의 진입을 차단하면서

호스트 mRNA의 분해를 유도하는 데 사용됩니다.

Fig. 5

a SARS-CoV-2 regulates ribosome biogenesis in host cells through multiple pathways. Nsp1 is used by the SARS-CoV-2 virus to ensure its own replication and spread in the human host. The 5’UTR of viral Nsp1 is a key factor in directing ribosomes to viral transcripts and blocking host cell mRNA translation. Nsp1 blocks host mRNA translation and enhance the synthesis of viral proteins. Nsp1 alters the balance between viral and host cellular mRNAs through the cleavage of host mRNAs, leading to the degradation of host mRNAs by cellular nucleases. 

b Nsp1 acts as a gatekeeper to help SARS-CoV-2 evasion. Early in infection, Nsp1 binds to the 40S subunit with the carboxy-terminal domain of Nsp1. The viral mRNA transcript forms a translation initiation complex with the 40S-Nsp1 complex in its 5’UTR SL1. The carboxy-terminal domain of Nsp1 is removed to open the ribosome biogenesis channel for viral mRNA. The translation initiation, elongation, and termination further proceed. Upon termination, the viral mRNA is released, and the Nsp1 carboxy terminus refolds to prevent any de novo translation of cellular mRNA. c Mechanisms of bacterial resistance. Reducing the concentration of the harmful drug in the bacterium by decreasing the permeability of the bacterial outer membrane. The antimicrobial substance in the bacterial cell is removed by the efflux pumps. Mutation or modification of the target structure to reduce the affinity for antibiotics. Enzymatic degradation of antibiotics. Nsp1 nonstructural protein 1

a SARS-CoV-2는 호스트 세포에서 리보솜 생합성을 다중 경로를 통해 조절합니다.

SARS-CoV-2 바이러스는 자체 복제와 인간 호스트 내 확산을 보장하기 위해 Nsp1을 사용합니다.

바이러스 Nsp1의 5'UTR은 리보솜을 바이러스 전사체로 유도하고 호스트 세포 mRNA 번역을 차단하는 핵심 요인입니다.

Nsp1은 호스트 mRNA 번역을 차단하고 바이러스 단백질 합성을 촉진합니다.

Nsp1은 호스트 mRNA의 절단을 통해 바이러스와 호스트 세포 mRNA 간의 균형을 변화시켜,

             세포 내 핵산 분해효소에 의한 호스트 mRNA 분해를 유발합니다.

b Nsp1은 SARS-CoV-2의 회피를 돕는 게이트키퍼 역할을 합니다. 감염 초기 단계에서 Nsp1은 Nsp1의 카르복시말단 도메인을 통해 40S 서브유닛에 결합합니다. 바이러스 mRNA 전사물은 5'UTR SL1에서 40S-Nsp1 복합체와 번역 시작 복합체를 형성합니다. Nsp1의 카르복시말단 도메인이 제거되어 바이러스 mRNA를 위한 리보솜 생합성 채널이 열립니다. 번역 시작, 연장, 종결이 추가로 진행됩니다. 종결 후 바이러스 mRNA가 방출되며, Nsp1의 카르복시말단은 재접합되어 세포 mRNA의 신규 번역을 방지합니다.

c 세균 저항 메커니즘. 박테리아의 외막 투과성을 감소시켜 유해 약물의 농도를 낮춥니다. 박테리아 세포 내의 항균 물질은 배출 펌프에 의해 제거됩니다. 항생제에 대한 친화성을 감소시키기 위해 표적 구조의 돌연변이 또는 변형. 항생제의 효소적 분해. Nsp1 비구조 단백질 1

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It was shown that SARS-CoV-2 infection affects ribosome biogenesis77 and leads to immune evasion and viral replication.78

SARS-CoV-2 감염이 리보솜 생합성에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌습니다.77

이는 면역 회피와 바이러스 복제를 유발합니다.78

Immune evasion via cap structure of SARS-CoV-2 RNA

One of the mechanisms whereby the virus evades the immune system is through 2’-O-methylation of RNA by adding a methyl group to the 2’ hydroxyl of the ribose moiety, which is often found in the crucial regions of the ribosome.79 The methyltransferase activity of the RNA 2’-O-methyltransferase fibrillarin (FBL) is required for viral infection, which forms a strong rationale for developing FBL inhibitors as antiviral agents.80 More recent studies have demonstrated that SARS-CoV-2 evades the innate immune system by encoding its viral 2′-O-MTase, which is responsible for forming the cap structure at the 5′-end of SARS-CoV-2 RNA.81,82

Replication of SARS-CoV-2 RNA via IRES83: An internal ribosome entry site (IRES) is an element within RNA that initiates translation in a cap-independent manner. The location for IRES elements is often in the 5′UTR, but can occur elsewhere within the mRNA.84 Viral mRNAs use IRES to compete with host mRNA for ribosomes and translation factors. Small molecules that can change the structure of IRES may interfere with viral mRNA translation and block infection.83 The IRES elements in different RNA viruses differ in sequence, secondary RNA structure, and host factor requirement to recruit ribosome subunits.85,86 For example, type III IRES-mediated translation initiation requires the participation of multiple protein factors.87,88 These studies demonstrated that the IRES element mediates viral protein translation through interactions with various translation initiation factors in eukaryotic cells.

The SARS-CoV-2 genome is a positive-sense single-stranded RNA with a 5’ cap followed by an untranslated region.89,90 Due to the 5’ end cap and 3’ poly(A) tail, SARS-CoV-2 directly utilizes a cap-dependent mechanism to initiate translation after infecting host cells.91 In addition, the 5’UTR contains a region with high CG content, which can form an IRES to recruit host ribosomes to translate its RNA in a cap-independent manner.92 By taking advantage of these features, SARS-CoV-2 can replicate efficiently in host cells.93 With the assistance of IRES, SARS-CoV-2 can efficiently compete with the host cells for initiation factors and translation machinery to produce viral proteins. Therefore, drugs targeting IRES may block viral infection. Prunin is one such compound that inhibits the IRES activity of human enterovirus A71, and has shown promising results in treating hand, foot, and mouth disease.94 Islam et al.95 detected three specific mutations in the IRES that can destroy its secondary structure, thereby reducing the function of the virus. These results may guide the development of drugs targeting the IRES to slow the spread of SARS-CoV-2.

In summary, both cap-dependent and cap-independent mechanisms are utilized by the SARS-CoV-2 genome to translate viral proteins. Further study of the activity, mechanism of action, and inhibition mode of IRES elements in the 5’UTR of the SARS-CoV-2 genome can provide valuable information for developing therapeutic drugs.

SARS-CoV-2 RNA의 캡 구조를 통한 면역 회피

바이러스가 면역 시스템을 회피하는 메커니즘 중 하나는

리보솜의 중요한 부위에 자주 발견되는 리보스 잔기의 2' 하이드록실에 메틸 그룹을 추가하여

RNA의 2'-O-메틸화를 유발하는 것입니다. 79

RNA 2'-O-메틸트랜스퍼레이스 피브리라린(FBL)의 메틸트랜스퍼레이스 활성은 바이러스 감염에 필수적이며,

이는 FBL 억제제를 항바이러스제로 개발하는 강력한 근거를 제공합니다. 80

최근 연구들은

SARS-CoV-2가 바이러스 2′-O-MTase를编码하여

SARS-CoV-2 RNA의 5′-말단에 캡 구조를 형성하는 역할을 하는 이 효소를 통해

선천 면역 시스템을 회피한다는 것을 보여주었습니다.81,82

SARS-CoV-2 RNA의 IRES를 통한 복제83: 내부 리보솜 진입 사이트(IRES)는 캡 독립적 방식으로 번역을 시작하는 RNA 내의 요소입니다. IRES 요소의 위치는 일반적으로 5′UTR에 있지만 mRNA 내 다른 위치에서도 발생할 수 있습니다.84

바이러스 mRNA는 IRES를 사용하여

호스트 mRNA와 리보솜 및 번역 인자를 경쟁합니다.

IRES 구조를 변경할 수 있는 소분자는

바이러스 mRNA 번역을 방해하고 감염을 차단할 수 있습니다. 83 다

양한 RNA 바이러스의 IRES 요소는 서열, 이차 RNA 구조, 리보솜 서브유닛 모집에 필요한 호스트 인자 요구사항에서 차이가 있습니다.85,86 예를 들어, 유형 III IRES 매개 번역 시작은 다중 단백질 인자의 참여가 필요합니다.87,88 이러한 연구는 IRES 요소가 진핵세포에서 다양한 번역 시작 인자와의 상호작용을 통해 바이러스 단백질 번역을 매개함을 보여주었습니다.

SARS-CoV-2 유전체는 5' 캡을 따라 미번역 영역이 이어지는 양의 단일 가닥 RNA입니다.89,90 5' 끝 캡과 3' 폴리(A) 꼬리 때문에 SARS-CoV-2는 호스트 세포 감염 후 캡 의존적 메커니즘을 직접 활용하여 번역을 시작합니다. 91 또한 5'UTR에는 CG 함량이 높은 영역이 존재하며, 이는 캡 독립적 방식으로 호스트 리보솜을 모집해 RNA 번역을 촉진하는 IRES를 형성할 수 있습니다.92 이러한 특성을 활용해 SARS-CoV-2는 호스트 세포 내에서 효율적으로 복제됩니다.93 IRES의 도움을 받아 SARS-CoV-2는 호스트 세포와 번역 초기 인자 및 번역 기계장치를 경쟁해 바이러스 단백질을 생산합니다. 따라서 IRES를 표적으로 하는 약물은 바이러스 감염을 차단할 수 있습니다. Prunin은 인간 엔테로바이러스 A71의 IRES 활성을 억제하는 화합물로, 손발구병 치료에 유망한 결과를 보여주었습니다.94 Islam 등95은 IRES의 이차 구조를 파괴하여 바이러스 기능을 감소시키는 세 가지 특정 돌연변이를 발견했습니다. 이러한 결과는 SARS-CoV-2의 확산을 늦추기 위해 IRES를 표적으로 하는 약물 개발에 지침을 제공할 수 있습니다.

요약하면,

SARS-CoV-2 유전체는

바이러스 단백질을 번역하기 위해

캡 의존적 및 캡 독립적 메커니즘을 모두 활용합니다.

SARS-CoV-2 유전체의 5'UTR에 위치한 IRES 요소의 활성,

작용 메커니즘, 억제 방식에 대한 추가 연구는

치료제 개발에 유용한 정보를 제공할 수 있습니다.

Production of viral proteins via ribosome-frameshift

Viruses must use the host cell’s ribosomes to synthesize their proteins. Normally, the ribosomes move along the mRNA, reading three bases at a time and synthesizing an in-frame protein. Sometimes, ribosomes miss a base or two, generating a frameshift, resulting in a dysfunctional protein. The coronaviruses rely on frameshift to hijack the cell’s translation process and produce viral proteins.96 Using cryo-electron microscopy, Bhatt et al. discovered that the viral RNA promotes a frameshift by forming a pseudoknot structure at the entrance of the ribosomal mRNA channel. It has been shown that merafloxacin reduces the titer of new coronavirus by inhibiting the frameshift efficiency.97

리보솜 프레임 시프트를 통한 바이러스 단백질 생산

바이러스는

호스트 세포의 리보솜을 이용해 단백질을 합성해야 합니다.

일반적으로 리보솜은

mRNA를 따라 이동하며 한 번에 세 개의 염기를 읽고

프레임에 맞는 단백질을 합성합니다.

때로는

리보솜이 한두 개의 염기를 놓치며 프레임 시프트가 발생해

기능이 손상된 단백질이 생성됩니다.

코로나바이러스는

프레임 시프트를 이용해 세포의 번역 과정을 장악하고

바이러스 단백질을 생산합니다.96 

크리오 전자 현미경을 사용한 Bhatt 등 연구진은

바이러스 RNA가 리보솜 mRNA 채널 입구에 가짜 고리 구조를 형성해

프레임 시프트를 촉진한다는 사실을 발견했습니다.

메라플록사신이

프레임 시프트 효율을 억제함으로써

신종 코로나바이러스의 농도를 감소시킨다는 것이 입증되었습니다.97

Nsp1 is a potential vaccine target

The nonstructural proteins (Nsp1–Nsp16) facilitate virus replication by regulating the RNA-directed RNA polymerase and helicase.98 The Nsp1 of SARS-CoV-2 has been identified as a virulence factor because it helps to produce viral protein while inhibiting the protein synthesis of infected cells. Using high-resolution cryo-electron microscopy, Thoms et al.99 demonstrated that the Nsp1 protein could shut down the translation of host mRNA by preventing the binding of mRNA with the ribosomal 40S subunit. Understanding the Nsp1 inhibitory mechanism has been helpful for the design of anti-SARS-CoV-2 drugs. In addition, Nsp1 inhibits intracellular antiviral defense signaling pathways by blocking the retinoic acid-inducible gene I-dependent innate immune responses.99,100,101

Moreover, Nsp1 acts as a gatekeeper to restrict translation to only viral transcripts. The release of the Nsp1 is controlled by viral SL1. In coronaviruses, the viral transcripts contain three hairpins SL1, SL2, and SL3, at the 5′end.102 SARS-CoV-2 also contains these hairpins.91 More specifically, SL1 acts on the Nsp1 carboxy-terminal domain to allow viral RNAs to enter the ribosome while Nsp1 is still bound on the ribosome. SL1 plays a critical role in the completion of the viral infection. SL1 is regarded as the real "Soft Rib" of SARS-CoV-2.103 Therefore, targeting SL1 during SARS-CoV-2 infection would be a precise approach to shut down viral translation (Fig. 5b). SL1 acts as a switch to shift the translation machinery to the virus through its interaction with Nsp1.104

Other Nsps as potential vaccine targets: Upon infection, the Nsps produced by SARS-CoV-2 inhibit interferon response by blocking the ribosome channel to disrupt protein translation (Nsp1), suppressing global mRNA splicing (Nsp16), and blocking protein trafficking to the membrane (Nsp8 and Nsp9).105 Moreover, Nsp6 and Nsp13 antagonize IFN-I production by suppressing interferon regulatory factor 3.106 Thus, IFN can be used as an indicator of disease severity and potential treatment to enhance the host immune response to viral infection.107

Through RNA sequencing, ribosome profiling, and metabolic labeling of newly synthesized RNA, Finkel et al.108 showed that although viral transcripts are not preferentially translated, the virus dominates the mRNA pool in infected cells by inducing the degradation of host mRNAs. Virus inhibits the translation of innate immune genes by blocking nuclear mRNA export, preventing cellular mRNA from reaching the ribosomes.

Another study showed that herpes simplex virus type 1 (HSV-1) utilizes γ34.5 to promote its replication by inducing the cytoplasmic translocation of nucleolar protein NOP53, which in turn facilitates the recruitment of PP1αto dephosphorylate eukaryotic initiation factor eIF2α for viral translation.109

In contrast to the common belief that viral replication relies on increased ribosome abundance, Bianco et al.77 showed that human cytomegalovirus (HCMV) productive growth was enhanced by restricting ribosome biogenesis. The impairment of ribosome biogenesis leads to reduced interferon beta (IFNB1) mRNA accumulation, leading to enhanced replication of HCMV.

Nsp1은 잠재적 백신 표적입니다

비구조 단백질(Nsp1–Nsp16)은 RNA-지향 RNA 중합효소와 헬리카제를 조절하여 바이러스 복제를 촉진합니다.98 SARS-CoV-2의 Nsp1은 감염된 세포의 단백질 합성을 억제하면서 바이러스 단백질 생산을 돕기 때문에 독성 인자로 확인되었습니다. 고해상도 냉동 전자 현미경(cryo-electron microscopy)을 사용한 Thoms 등99의 연구에서 Nsp1 단백질이 mRNA와 리보솜 40S 서브유닛의 결합을 차단함으로써 호스트 mRNA의 번역을 차단한다는 것이 입증되었습니다. Nsp1의 억제 메커니즘을 이해하는 것은 SARS-CoV-2 치료제 개발에 도움이 되었습니다. 또한 Nsp1은 레티노산 유도 유전자 I에 의존하는 선천 면역 반응을 차단함으로써 세포 내 항바이러스 방어 신호 경로를 억제합니다.99,100,101

또한 Nsp1은 번역을 바이러스 전사체로만 제한하는 게이트키퍼 역할을 합니다. Nsp1의 방출은 바이러스 SL1에 의해 조절됩니다. 코로나바이러스의 바이러스 전사체에는 5′말단에 SL1, SL2, SL3 세 개의 헤어핀이 포함되어 있습니다.102 SARS-CoV-2도 이러한 헤어핀을 포함합니다.91 구체적으로, SL1은 Nsp1의 카르복시말단 도메인에 작용하여 Nsp1이 리보솜에 결합된 상태에서도 바이러스 RNA가 리보솜에 진입하도록 합니다. SL1은 바이러스 감염의 완료에 결정적인 역할을 합니다. SL1은 SARS-CoV-2의 진정한 “소프트 리브”로 간주됩니다.103 따라서 SARS-CoV-2 감염 시 SL1을 표적으로 삼는 것은 바이러스 번역을 차단하는 정밀한 접근 방식이 될 수 있습니다(그림 5b). SL1은 Nsp1과의 상호작용을 통해 번역 기계 장치를 바이러스로 전환하는 스위치 역할을 합니다.104

기타 Nsps의 백신 표적 후보: SARS-CoV-2에 의해 생성된 Nsps는 리보솜 채널을 차단하여 단백질 번역을 방해(Nsp1), 전사체 mRNA 스플라이싱을 억제(Nsp16), 단백질의 막 이동을 차단(Nsp8 및 Nsp9)함으로써 인터페론 반응을 억제합니다. 105 또한 Nsp6와 Nsp13은 인터페론 조절 인자 3을 억제하여 IFN-I 생산을 방해합니다.106 따라서 IFN은 질병의 중증도를 나타내는 지표로 사용될 수 있으며, 바이러스 감염에 대한 호스트 면역 반응을 강화하기 위한 잠재적 치료법으로 활용될 수 있습니다.107

RNA 시퀀싱, 리보솜 프로파일링, 신규 합성 RNA의 대사 표지법을 통해 Finkel 등108은 바이러스 전사체가 선호적으로 번역되지 않음에도 불구하고, 바이러스가 호스트 mRNA의 분해를 유도하여 감염된 세포 내 mRNA 풀을 지배함을 보여주었습니다. 바이러스는 핵 내 mRNA 수출을 차단하여 세포 내 mRNA가 리보솜에 도달하지 못하게 함으로써 선천 면역 유전자 번역을 억제합니다.

또 다른 연구에서는 단순 헤르페스 바이러스 1형(HSV-1)이 γ34.5를 활용해 핵소체 단백질 NOP53의 세포질 이동을 유도함으로써 복제를 촉진하며, 이는 다시 PP1α의 모집을 촉진해 진핵생물 번역 시작 인자 eIF2α의 인산화 제거를 통해 바이러스 번역을 촉진한다는 것이 밝혀졌습니다.109

일반적인 믿음과 달리 바이러스 복제가 리보솜의 증가에 의존한다는 점을 반박하며, Bianco 등77은 인간 사이토메갈로바이러스(HCMV)의 생산적 증식이 리보솜 생합성을 제한함으로써 증진된다는 것을 보여주었습니다. 리보솜 생합성의 장애는 인터페론 베타(IFNB1) mRNA 축적을 감소시켜 HCMV의 복제를 증진시킵니다.

The clinical application of ribosome protein (RP):

To investigate whether ribosome biogenesis affects the innate immune response in patients with SARS-CoV-2 infection, Yang et al.110 compared the cellular and molecular characteristics of patients with long-duration of viral shedding (LD) with those of short-duration patients. They demonstrated that LD is associated with reduced levels of RP genes, decreased numbers of natural killer cells, and CD14+ monocytes but increased regulatory T cells. These results suggest that immunosuppression and low expression‎ of RPs are associated with the persistence of SARS-CoV-2 infection in COVID-19 patients. However, it needs to be clarified whether the decreased level of RPs in SARS-CoV-2/Nsp1/RP is a cause or a consequence of viral persistence and whether specific RPs can be used as a clinical indicator for virus persistence.

In summary, these studies uncovered how viruses promote their growth by taking over the translation machinery while suppressing the host’s innate immune response.

리보솜 단백질(RP)의 임상적 응용:

SARS-CoV-2 감염 환자의 선천성 면역 반응에 리보솜 생합성이 영향을 미치는지 조사하기 위해

Yang 등110은 바이러스 배출 기간이 긴 환자(LD)와 짧은 환자(short-duration)의 세포 및 분자적 특성을 비교했습니다.

그들은 LD가 RP 유전자 발현 감소, 자연살해 세포 수 감소, CD14+ 단핵구 감소와 연관되어 있지만 조절 T 세포 수는 증가함을 보여주었습니다. 이 결과는 SARS-CoV-2 감염 환자의 감염 지속과 면역 억제 및 RP 발현 저하가 연관되어 있음을 시사합니다. 그러나 SARS-CoV-2/Nsp1/RP에서 RP의 감소가 바이러스 지속의 원인인지 결과인지, 특정 RP가 바이러스 지속의 임상적 지표로 사용될 수 있는지 명확히 해야 합니다.

요약하면,

이 연구들은

바이러스가 호스트의 선천적 면역 반응을 억제하면서

번역 기계를 장악해 성장하는 메커니즘을 밝혀냈습니다.

Bacteria and ribosome biogenesis

The number of antibiotic drugs approved by the Food and Drug Administration (FDA) of the United States has been increasing in recent years.111 However, after repeated use, bacteria become resistant to treatment. The rate of the development of drug-resistant bacteria is much faster than antibiotic development.112,113 With the in-depth study of ribosome structure, antibiotics targeting bacterial ribosomal protein synthesis have been developed.

Mechanism of ribosome-targeting antibioticsStructural basis of the bacterial ribosome

The bacterial ribosome comprises a 30S small subunit and a 50S large subunit, including 3 rRNAs and 54 ribosomal proteins.18,114 Antibiotics targeting the 50S subunit act on the peptidyl transferase center (PTC), the GTP hydrolase association center, the nascent peptide chain channel, or interfere with protein synthesis by incorporation into the extended peptide chain.115 For the 30S subunit, antibiotics prevent protein synthesis by inhibiting the formation of the ribosomal initiation complex, interfering with tRNA binding, and interfering with tRNA site transfer during translation.19,116

세균과 리보솜 생합성

미국 식품의약국(FDA)에서 승인된 항생제 약물의 수는 최근 몇 년간 증가해 왔습니다.111

그러나 반복적인 사용 후 세균은 치료에 내성을 획득하게 됩니다.

항생제 내성 세균의 발생 속도는 항생제 개발 속도보다 훨씬 빠릅니다.112,113

리보솜 구조에 대한 심층적인 연구를 통해

세균의 리보솜 단백질 합성을 표적으로 하는 항생제가

개발되었습니다.

리보솜 표적 항생제의 작용 메커니즘 세균 리보솜의 구조적 기반

세균 리보솜은

30S 소단위체와 50S 대단위체로 구성되며,

3개의 리보솜 RNA(rRNA)와 54개의 리보솜 단백질을 포함합니다.18,114

50S 단위체를 표적으로 하는 항생제는

펩티딜 전이 중심(PTC), GTP 가수분해 효소 결합 중심, 신생 펩티드 사슬 통로에 작용하거나,

확장된 펩티드 사슬에 결합하여 단백질 합성을 방해합니다. 115

30S 소단위체에 대해 항생제는

리보솜 초기 복합체 형성을 억제하거나 tRNA 결합을 방해하거나

번역 중 tRNA 사이트 이동을 방해하여 단백질 합성을 차단합니다.19,116

Antibiotics targeting tRNA

Tetracycline is a broad-spectrum antibiotic that blocks bacterial protein synthesis.117 It binds to the 30S ribosome subunit and prevents aminoacyl-tRNA binding to the ribosome A-site.112,118,119 Although tetracycline is widely used in the clinic, drug resistance due to mutations within the ribosomal binding sites limits its clinical efficacy.120 Due to the emergence of drug-resistant bacteria, the second (doxycycline) and third generation (glycylcyclines) of tetracyclines were produced. The glycylcycline antibiotic tigecycline has a similar mechanism of action as tetracycline but with higher affinity to the 30S ribosome, thus, blocking bacteria protein synthesis more efficiently.121,122,123

Aminoglycoside antibiotics target the aminoacyl group of the 16S ribosomal RNA on the 30S ribosome subunit, preventing the correct positioning of aa-tRNA at the A and P positions, resulting in a misreading of the genetic code and abnormal protein synthesis.119 Macrolide antibiotics target bacterial translation by binding to the P site in the 50S ribosome subunit. Mupirocin blocks bacterial protein synthesis by inhibiting isoleucine tRNA synthetase.124 Under the action of these antibiotics, the bacterial translation process is impaired, resulting in the death of the bacteria.125,126

tRNA를 표적으로 하는 항생제

테트라사이클린은

세균의 단백질 합성을 차단하는 광범위 항생제입니다.117

이는 30S 리보솜 서브유닛에 결합하여

아미노아실-tRNA가 리보솜 A-사이트에 결합하는 것을 방지합니다.112,118,119

테트라사이클린은

임상에서 널리 사용되지만,

리보솜 결합 부위의 돌연변이로 인한 약물 내성이 임상적 효능을 제한합니다. 120

약물 내성 세균의 출현으로

테트라사이클린의 2세대(도xy사이클린)와 3세대(글리실사이클린)가 개발되었습니다.

글리실사이클린 항생제 티게사이클린은 테트라사이클린과 유사한 작용 메커니즘을 갖지만

30S 리보솜에 대한 친화성이 높아 세균 단백질 합성을 더 효율적으로 차단합니다.121,122,123

아미노글리코사이드 항생제는 30S 리보솜 서브유닛의 16S 리보솜 RNA에 있는 아미노아실 그룹을 표적으로 삼아 aa-tRNA가 A 및 P 위치에 올바르게 위치하지 못하게 하여 유전 코드의 잘못된 해석과 비정상적인 단백질 합성을 유발합니다.119 매크로라이드 항생제는 50S 리보솜 서브유닛의 P 위치에 결합하여 세균의 번역 과정을 표적으로 삼습니다. 무피로신은 이소류신 tRNA 합성효소를 억제하여 세균의 단백질 합성을 차단합니다.124 이러한 항생제의 작용으로 세균의 번역 과정이 손상되어 세균이 죽게 됩니다.125,126

Targeting peptidyl transferase center

The peptidyl transferase is an aminoacyl transferase that catalyzes the reaction to form peptide bonds between two adjacent amino acids. This is a process of adding an amino acid to the growing polypeptide chain during protein synthesis. The peptidyl transferase center (PTC) is situated in the large subunit of the ribosome. Chloramphenicol and macrolides are two examples of antibiotics targeting the PTC. Chloramphenicol prevents peptide bond formation by binding to the 23S rRNA of the 50S ribosome subunit, whereas macrolides do so by binding to the P site of the 50S subunit. The position where chloramphenicol binds to PTC overlaps with a part of the acyl group at the A-site of tRNA (Cam1).127,128 The binding site (Cam2) of chloramphenicol to the 50S subunit of the halophilic archaea is located deeper in the exit channel, overlapping the erythromycin binding site.129 The binding site of chloramphenicol to the archaeal 50S subunit is not in Cam1, which is in line with the finding that higher concentrations of chloramphenicol are needed to inhibit archaeal growth than bacterial growth. Chloramphenicol and erythromycin directly inhibit the biosynthesis of the 50S subunit.130 Erythromycin does not inhibit PTC but interferes with aminoacyl translocation, preventing the move of tRNA from the A-site to the P site of the ribosome.

Molecular mechanisms of bacterial resistance

At present, it is generally believed that there are four main categories of molecular mechanisms by which bacteria develop drug resistance:131,132 (1) Reduction of intracellular drug concentration; (2) Modification of drug target due to mutation or modification of target genes; (3) Overexpression‎ and protection of target genes; (4) Inactivation of the drug due to hydrolyzation (Fig. 5c). Thus, drug resistance is achieved by reducing the permeability of the bacterial outer membrane, decreasing the concentration of the antimicrobial substance by efflux pump, reducing the affinity for antibiotics through mutations, and degrading the antibiotics.

펩티딜 전이효소 중심부 표적화

펩티딜 트랜스퍼레이스는 두 개의 인접한 아미노산 사이에 펩티드 결합을 형성하는 반응을 촉매하는 아미노아실 트랜스퍼레이스입니다. 이는 단백질 합성 과정에서 성장 중인 폴리펩티드 사슬에 아미노산을 추가하는 과정입니다. 펩티딜 트랜스퍼레이스 센터(PTC)는 리보솜의 큰 서브유닛에 위치합니다. 클로람페니콜과 마크로라이드는 PTC를 표적으로 하는 항생제의 예시입니다. 클로람페니콜은 50S 리보솜 서브유닛의 23S rRNA에 결합하여 펩타이드 결합 형성을 차단하며, 반면 마크로라이드는 50S 서브유닛의 P 부위에 결합하여 이를 차단합니다. 클로람페니콜이 PTC에 결합하는 위치는 tRNA의 A-사이트에 있는 아실 그룹의 일부와 겹칩니다(Cam1).127,128 클로람페니콜이 할로필릭 아키아의 50S 서브유닛에 결합하는 결합 부위(Cam2)는 출구 채널의 더 깊은 부분에 위치하며, 에리트로마이신 결합 부위와 겹칩니다. 129 클로람페니콜이 아키아 50S 서브유닛에 결합하는 부위는 Cam1에 위치하지 않으며, 이는 클로람페니콜이 세균 성장보다 아키아 성장 억제에 더 높은 농도가 필요하다는 발견과 일치합니다. 클로람페니콜과 에리트로마이신은 50S 서브유닛의 생합성을 직접 억제합니다.130 에리트로마이신은 PTC를 억제하지 않지만 아미노아실 전위를 방해하여 리보솜의 A-사이트에서 P-사이트로 tRNA의 이동을 차단합니다.

세균의 약물 내성 분자 메커니즘

현재 일반적으로 세균이 약물 저항성을 발달시키는 분자적 메커니즘은 네 가지 주요 범주로 분류됩니다:131,132

(1) 세포 내 약물 농도 감소;

(2) 표적 유전자의 돌연변이 또는 변형으로 인한 약물 표적의 변형;

(3) 표적 유전자의 과발현 및 보호;

(4) 가수분해로 인한 약물의 불활성화 (그림 5c).

따라서

약물 내성은

세균 외막의 투과성 감소,

배출 펌프를 통한 항균 물질 농도 감소,

돌연변이를 통한 항생제 친화성 감소,

항생제의 분해 등을

통해 달성됩니다.

Reducing intracellular drug concentration

Gram-negative bacteria contain an outer membrane that protects the bacteria from external toxic agents. Therefore, Gram-positive bacteria are more susceptible to antibiotics than Gram-negative bacteria.133 Another way of keeping drug concentration low is to increase its efflux by acquiring genes encoding an efflux pump through chromosome mutation. The upregulation of the efflux pump causes drug resistance to most ribosome-targeting antibiotics.

Mutation or modification of target gene

Mutations in target genes can lead to reduced drug affinity.115,116 The ribosome-targeted antibiotics interact with rRNA, so mutations in rRNA nucleotides can change the conformation of the drug-binding site, resulting in tolerance. Most bacteria have more than one copies of rRNA operons, which means that only the same mutations that occur in all of the operons will the bacteria become resistant to the drug, which is a rare situation. It mainly occurs in Mycoplasma pneumoniae and Mycobacterium tuberculosis because these pathogens only have one or two rRNA operons. rRNA methyltransferases—mediated methylation of rRNA is one of the most common modifications. The methyltransferase KgmA and KamA–mediated methylation confer aminoglycoside tolerance.134 Cfr methylates nucleotide A2503 of 23S rRNA,135 a modification that promotes bacterial resistance to chloramphenicol, SA antibiotics, lincosamides,136 and some intracyclic macrocyclic Ester antibiotic resistance.137 Methylation of A2058 of 23S rRNA is responsible for bacterial resistance to macrolides, lincosamide, and streptogramins B.

세포 내 약물 농도 감소

그람 음성 세균은 외부 독성 물질로부터 세균을 보호하는 외막을 가지고 있습니다. 따라서 그람 양성 세균은 그람 음성 세균보다 항생제에 더 취약합니다.133 약물 농도를 낮추는 또 다른 방법은 염색체 변이를 통해 배출 펌프를编码하는 유전자를 획득하여 배출을 증가시키는 것입니다.

배출 펌프의 발현 증가로 인해

대부분의 리보솜 표적 항생제에 대한 약물 내성이 발생합니다.

표적 유전자의 변이 또는 변형

표적 유전자의 돌연변이는 약물 친화성을 감소시킬 수 있습니다.115,116

리보솜을 표적으로 하는 항생제는

rRNA와 상호작용하므로,

rRNA 핵산의 돌연변이는 약물 결합 부위의 구조를 변화시켜 내성을 유발할 수 있습니다.

대부분의 세균은 rRNA 오페론의 복사본을 하나 이상 가지고 있습니다.

따라서 모든 오페론에 동일한 돌연변이가 발생해야 세균이 약물에 내성을 갖게 되며, 이는 드문 상황입니다. 이는 Mycoplasma pneumoniae와 Mycobacterium tuberculosis에서 주로 발생하는데, 이 병원체는 rRNA 오페론을 하나 또는 두 개만 가지고 있기 때문입니다. rRNA 메틸전달효소 매개 rRNA 메틸화는 가장 흔한 변형 중 하나입니다. KgmA 및 KamA에 의해 매개되는 메틸화 효소는 아미노글리코사이드 내성을 부여합니다.134 Cfr은 23S rRNA의 뉴클레오티드 A2503을 메틸화하며,135 이는 클로람페니콜, SA 항생제, 린코사미드,136 및 일부 내환식 매크로사이클릭 에스터 항생제에 대한 세균의 내성을 촉진하는 변형입니다. 137 23S rRNA의 A2058 위치 메틸화는 매크로라이드, 린코사미드, 스트렙토그라민 B에 대한 세균의 내성을 유발합니다.

Overexpression‎ and protection of target genes

Overexpression‎ of target genes leads to resistance to certain antibiotics because these target genes can sequester drugs. Antibiotic resistance caused by target gene overexpression‎ has not been demonstrated in vivo, but they have been confirmed by in vitro experiments. Overexpression‎ of 16S rRNA h34 resulted in bacterial resistance to spectinomycin.138 Likewise, overexpression‎ of EF-Tu restored protein translation in the presence of EF-Tu inhibitors.139

Hydrolyzing or modifying enzymes that inactivate antibiotics

Certain enzymes encoded by bacteria are capable of modifying or degrading antibiotics.140,141 These enzymes include hydroxylases (beta-lactamases, esterases, epoxide hydroxylase) (phenicols), transferases (acetyltransferases, phosphotransferases, nucleotidyltransferases, glycosyltransferases, ADP-ribosyltransferases, S-transferases) (aminoglycosides and macrolides),142,143 and redox enzymes (monoxygenases, lyases) (tetracycline144and tigecycline145). Esterases EreA and EreB hydrolyze macrolide ester bonds, leading to resistance to macrolide antibiotics.141 For aminoglycosides, drug inactivation due to modification of their chemical structure by bacterial enzymes is the main mechanism of drug resistance. The amide and hydroxyl groups of aminoglycosides can be modified by acetyltransferase, nucleotidyl transferase, and phosphotransferase.

Ribosome biogenesis is an attractive target for developing new antibiotics. Antibiotic resistance mechanisms include degradation and efflux of the drug and mutation of target genes. Future work should focus on developing antibiotics targeting new sites on the ribosome.

표적 유전자의 과발현 및 보호

표적 유전자의 과발현은 이러한 유전자가 약물을 결합하여 제거하기 때문에 특정 항생제에 대한 내성을 유발합니다. 표적 유전자의 과발현으로 인한 항생제 내성은 체내에서 입증되지 않았지만, 체외 실험을 통해 확인되었습니다. 16S rRNA h34의 과발현은 스펙티노마이신에 대한 세균의 저항성을 유발했습니다.138 마찬가지로, EF-Tu의 과발현은 EF-Tu 억제제 존재 하에서도 단백질 번역을 회복시켰습니다.139

항생제를 불활성화시키는 가수분해 또는 변형 효소

세균이编码하는 특정 효소는 항생제를 변형하거나 분해할 수 있습니다.140,141 이러한 효소에는 하이드록시라제(베타-락타마제, 에스테라제, 에폭시드 하이드록시라제) (페니콜), 트랜스퍼라제(아세틸트랜스퍼라제, 포스포트랜스퍼라제, 뉴클레오티딜트랜스퍼라제, 글리코실트랜스퍼라제, ADP-리보실트랜스퍼라제, S-트랜스퍼라제) (아미노글리코사이드 및 매크로라이드),142,143 및 환원-산화 효소(모노옥시게나제, 리아제) (테트라사이클린144 및 티게사이클린145). 에스테라제 EreA 및 EreB는 매크로라이드 에스터 결합을 가수분해하여 매크로라이드 항생제에 대한 내성을 유발합니다.141 아미노글리코사이드의 경우, 세균 효소에 의한 화학 구조 변형으로 인한 약물 비활성화가 약물 내성의 주요 메커니즘입니다. 아미노글리코사이드의 아미드 및 하이드록실 그룹은 아세틸트랜스퍼레이스, 뉴클레오티딜 트랜스퍼레이스, 및 포스포트랜스퍼레이스에 의해 변형될 수 있습니다.

리보솜 생합성은 새로운 항생제 개발의 유망한 표적입니다. 항생제 내성 메커니즘에는 약물의 분해 및 배출, 표적 유전자 변이가 포함됩니다. 향후 연구는 리보솜의 새로운 표적을 겨냥한 항생제 개발에 초점을 맞춰야 합니다.

Ribosomes and cardiovascular diseases (CVDs)

In 2020, the World Health Organization proclaimed that the mortality caused by CVDs is significantly higher than that caused by tumors and other diseases.146 Many studies have pointed out that ribosome dysfunction triggers various CVDs.3,4 Here, we discuss the specific regulatory mechanisms of rDNA, rRNA, RPs, and Ncl in CVDs (Table 1).

리보솜과 심혈관 질환 (CVD)

2020년 세계보건기구(WHO)는 심혈관 질환(CVD)으로 인한 사망률이 암 및 기타 질환으로 인한 사망률보다 현저히 높다고 발표했습니다.146

많은 연구에서

리보솜 기능 장애가 다양한 심혈관 질환을 유발한다는 점을 지적해 왔습니다.3,4

본 연구에서는 심혈관 질환(CVD)에서

rDNA, rRNA, RPs, 및 Ncl의 특정 조절 메커니즘을 논의합니다(표 1).

Table 1 Ribosome-related factors and CVD

Full size table

Ribosome and cardiac hypertrophy

Cardiac hypertrophy is an adaptive response that may occur after pressure or volume overload, inflammatory cardiomyopathy, and long-term stimulation, ultimately leading to heart failure.147,148 However, the molecular mechanisms underlying cardiac hypertrophy are currently unclear. Recent studies have suggested that ribosome biogenesis plays an important role in cardiac hypertrophy by promoting or inhibiting the pathological process.149,150

The rDNA transcription rate is positively correlated with the degree of phosphorylation of RNA Pol I and the upstream binding factor (UBF). Studies have shown that the hypophosphorylated form of UBF blocks rDNA transcription by disrupting the UBF/SL1 complex.151 Others reported that the proliferation rate of cultured neonatal cardiomyocytes is correlated with the phosphorylation of UBF.152 Endothelin-1-induced cardiac hypertrophy is associated with UBF hyperphosphorylation.153 Moreover, enhanced rDNA transcript levels are associated with increased UBF protein levels under α1 adrenergic receptor- or stress-load-induced cardiac hypertrophy. Further studies have confirmed that high UBF expression‎ and activity stimulate ribosome biogenesis during cardiac hypertrophy.154,155

rRNA not only acts as the central scaffold for ribosomal subunits but also serves as the center for catalytic activity in ribosome biogenesis.156,157 The abnormal pre-rRNA processing causes defects in ribosome structure and function, disrupts cardiac protein balance, and induces cardiac hypertrophy. Rackham et al.158 reported that when the endoribonuclease component of the RNase P complex, MRPP3, is knocked out in the heart, the mice develop severe cardiomyopathy and the lifespan is shortened. The loss of MRPP3 causes defects in rRNA processing, leading to the production of immature rRNAs and a reduction of RPs. Their findings revealed that rRNA processing acts as a "bridge" to link transcription and translation by regulating ribosome assembly. In addition, RNA Pol I is primarily responsible for the processing of pre-47S transcripts into 5.8S, 18S, and 28S rRNA, and then generating mature rRNAs.15 Studies have demonstrated that TAF1A gene mutation of RNA Pol I cause gene-specific nucleolar defects and impair rRNA synthesis in cardiomyocytes, eventually leading to decreased ventricular systolic function, dilated cardiomyopathy (DCM), and heart failure.9,159,160

S6K1-dependent activation of RP synthesis is crucial for cardiomyocyte proliferation and growth. S6K1 promotes rDNA transcription in cardiomyocytes, accelerating the pathological evolution of cardiac hypertrophy.161 This suggests that S6K1 is a key factor in regulating ribosome biogenesis and cardiomyocyte growth. The above studies suggest that aberrant activation of S6K1 increases protein synthesis and growth in hypertrophic cardiomyocytes. S6K1 is an important drug target for the treatment of cardiac hypertrophy (Fig. 6a). Thus, abnormal upregulation of UBF, RNA Pol I, and S6K1 induces cardiac hypertrophy.

리보솜과 심근 비대

심근 비대(cardiac hypertrophy)는

압력 또는 용적 과부하, 염증성 심근병증, 장기적인 자극 등에 따라 발생할 수 있는 적응 반응으로,

결국 심부전으로 이어질 수 있습니다.147,148

그러나 심

근 비대의 분자적 메커니즘은 현재 명확히 밝혀지지 않았습니다.

최근 연구들은

리보솜 생합성(ribosome biogenesis)이

병리적 과정을 촉진하거나 억제함으로써

심근 비대 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 제안했습니다.149,150

rDNA 전사 속도는

RNA 폴리메라제 I의 인산화 정도와 상류 결합 인자(UBF)와 양의 상관관계를 보입니다.

연구 결과, UBF의 저인산화 형태는 UBF/SL1 복합체를 방해하여 rDNA 전사를 차단합니다.151 다른 연구에서는 배양된 신생아 심근 세포의 증식 속도가 UBF의 인산화 정도와 상관관계가 있음을 보고했습니다.152 엔도테린-1에 의한 심근 비대증은 UBF의 과인산화와 연관되어 있습니다. 153 또한, α1 아드레날린 수용체나 스트레스 부하에 의해 유발된 심근 비대 시 rDNA 전사 수준이 증가하면 UBF 단백질 수준도 증가합니다. 추가 연구에서 심근 비대 시 높은 UBF 발현과 활성이 리보솜 생합성을 자극한다는 것이 확인되었습니다.154,155

rRNA는

리보솜 서브유닛의 중심 골격으로 작용할 뿐만 아니라

리보솜 생합성에서의 촉매 활성의 중심 역할을 합니다.156,157

전-rRNA 처리의 이상은

리보솜 구조 및 기능 결함을 유발하며,

심장 단백질 균형을 교란시키고

심근 비대증을 유도합니다.

Rackham 등158은 RNase P 복합체의 내인성 리보핵산 분해 효소 성분인 MRPP3를 심장에서 결손시킨 마우스에서 심각한 심근병증이 발생하고 수명이 단축된다는 사실을 보고했습니다. MRPP3의 상실은 rRNA 처리 결함을 유발하여 미성숙 rRNA의 생성 및 RP 감소로 이어집니다. 그들의 연구 결과, rRNA 처리는 리보솜 조립을 조절함으로써 전사와 번역을 연결하는 '다리' 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 또한 RNA Pol I는 pre-47S 전사물을 5.8S, 18S, 28S rRNA로 처리하고 성숙한 rRNA를 생성하는 주요 역할을 합니다. 15 연구 결과, RNA Pol I의 TAF1A 유전자 변이가 심근 세포에서 유전자 특이적 핵소체 결함을 유발하고 rRNA 합성을 방해하여 심실 수축 기능 저하, 확장성 심근병증(DCM), 심부전으로 이어진다는 것이 밝혀졌습니다.9,159,160

S6K1에 의존적인 RP 합성 활성화는 심근 세포의 증식 및 성장에 필수적입니다. S6K1은 심근 세포에서 rDNA 전사를 촉진하여 심근 비대증의 병리적 진행을 가속화합니다.161 이는 S6K1이 리보솜 생합성과 심근 세포 성장 조절의 핵심 요인임을 시사합니다. 위 연구들은 S6K1의 이상 활성화가 비대성 심근세포에서 단백질 합성과 성장을 증가시킨다는 것을 시사합니다. S6K1은 심근 비대 치료를 위한 중요한 약물 표적입니다(그림 6a). 따라서 UBF, RNA Pol I, 및 S6K1의 이상적 상향 조절은 심근 비대를 유발합니다.

Fig. 6: Ribosomes and CVD.

a (i) Ribosome dysfunction and cardiac hypertrophy. Increased UBF activity and abnormal activation of RNA Pol I and S6K1 induce cardiac hypertrophy. (ii) Ribosome dysfunction and MI. Downregulation of Ncl, rRNA, RPL9, and RPL26 leads to the failure of pre-rRNA processing, ultimately causing ribosome dysfunction and MI.

b Ribosomes and atherosclerosis. Left: The over-activation of ribosome biogenesis results in abnormal proliferation of VSMCs and atherosclerosis. The expression‎ of BOP1 and PES1 is increased in atherosclerotic patients, and both promote rRNA maturation by promoting pre-rRNA splicing and ribosome biogenesis. Right: RPL13 inhibits macrophage-induced inflammation and atherosclerosis. A high-fat diet promotes atherosclerosis in ApoE−/− mice, accompanied by higher levels of inflammatory cytokines. RPL13 inhibits the inflammatory response by inhibiting the translation of inflammatory genes such as CCL22, CXCL13a, and CCR3. BOP1 blocking of proliferation 1, PES1 pescadillo homolog 1

a (i) 리보솜 기능 장애와 심근 비대. UBF 활성의 증가와 RNA 폴리메라제 I 및 S6K1의 비정상적 활성화가 심근 비대를 유발합니다.

(ii) 리보솜 기능 장애와 심근 경색. Ncl, rRNA, RPL9, 및 RPL26의 발현 감소는 전-rRNA 처리의 실패를 초래하며,

    결국 리보솜 기능 장애와 심근 경색을 유발합니다.

b 리보솜과 동맥경화증.

왼쪽: 리보솜 생합성의 과활성화는 VSMCs의 비정상적 증식과 동맥경화증을 유발합니다. 동맥경화증 환자에게서 BOP1 및 PES1의 발현이 증가하며, 이 두 단백질은 전-rRNA 스플라이싱과 리보솜 생합성을 촉진하여 rRNA 성숙을 촉진합니다.

오른쪽: RPL13은 대식세포에 의한 염증과 동맥경화를 억제합니다. 고지방 식단은 ApoE−/− 마우스에서 동맥경화를 촉진하며, 염증성 사이토카인의 수준이 증가합니다. RPL13은 CCL22, CXCL13a, CCR3와 같은 염증성 유전자의 번역을 억제함으로써 염증 반응을 억제합니다.

BOP1 증식 억제 1, PES1 페스카딜로 유사체 1

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Ribosomes and myocardial infarction (MI)

MI is caused by occlusion of the coronary artery. Although intracoronary vascular surgery can prolong the life of patients,162 postoperative ischemia-reperfusion injuries can cause further damage to the heart. Moreover, insufficient cardiac regeneration eventually leads to ventricular remodeling and heart failure.163,164 Many studies have confirmed that ribosome dysfunction plays an important role in MI.165,166,167 Downregulation of Ncl, rRNA, RPL9, and RPL26 is involved in MI-induced ribosome dysfunction (Fig. 6a).

Recent bioinformatics analysis showed that the expression‎ levels of ribosomal proteins L9 (RPL9) and L26 (RPL26) are downregulated in patients with MI compared with controls.168 Therefore, RPL9 and RPL26 are potential targets for diagnosing or treating MI.

Ncl has many functions in cell survival and growth pathways. Some studies have found that knockout of Ncl in mice aggravates cardiac function after MI and reduces the survival rate. Mechanistically, Ncl improves cardiac function during MI by enhancing M2 macrophage polarization.169 In mouse models of MI, autophagy-related gene deletion or drug inhibition aggravates cardiac dysfunction and myocardial remodeling.170 Deng et al.166 found that the Ncl/autophagy signaling pathway is upregulated in the infarcted myocardium. Moreover, Nicorandil treatment affects the TGF-β/Smad signaling pathway by up-regulating the Ncl/autophagy axis, reducing cardiac remodeling after MI, and improving cardiac function. These studies suggest that Ncl is a potential target for the treatment of MI.

리보솜과 심근경색(MI)

MI는 관상동맥의 폐쇄로 인해 발생합니다. 관상동맥 혈관 수술은 환자의 생존 기간을 연장할 수 있지만,162 수술 후 허혈-재관류 손상은 심장에 추가적인 손상을 초래할 수 있습니다. 또한, 심장 재생이 불충분하면 결국 심실 재형성과 심부전으로 이어집니다.163,164 많은 연구에서 리보솜 기능 장애가 MI에 중요한 역할을 한다는 것이 확인되었습니다.165,166,167 Ncl, rRNA, RPL9, 및 RPL26의 발현 감소는 MI로 인한 리보솜 기능 장애와 관련이 있습니다(그림 6a).

최근 생물정보학 분석 결과, MI 환자의 리보솜 단백질 L9(RPL9) 및 L26(RPL26)의 발현 수준이 대조군에 비해 감소되었습니다.168 따라서 RPL9와 RPL26은 MI의 진단 또는 치료를 위한 잠재적 표적입니다.

Ncl은 세포 생존 및 성장 경로에서 다양한 기능을 수행합니다. 일부 연구에서 마우스에서 Ncl을 결손시킨 경우 MI 후 심장 기능이 악화되고 생존율이 감소한다는 결과가 나왔습니다. 메커니즘적으로, Ncl은 M2 대식세포의 분화를 강화하여 MI 동안 심장 기능을 개선합니다.169 MI 마우스 모델에서, 자가포식 관련 유전자의 결실 또는 약물 억제는 심장 기능 장애 및 심근 재구성을 악화시킵니다.170 Deng 등166은 Ncl/자가포식 신호 전달 경로가 심근 경색 부위에서 상향 조절된다는 것을 발견했습니다. 또한, 니코란딜 치료는 Ncl/자가포식 축을 상향 조절하여 TGF-β/Smad 신호 전달 경로를 영향을 미치며, MI 후 심장 리모델링을 감소시키고 심장 기능을 개선합니다. 이러한 연구 결과는 Ncl이 MI 치료의 잠재적 표적이라는 것을 시사합니다.

Ribosomes and atherosclerosis

Atherosclerosis is caused by lipid deposition in the intima of the arterial wall and increasing its thickening. This is the common pathological basis of CVDs, such as MI and coronary heart disease.171

Abnormal proliferation of vascular smooth muscle cells (VSMCs) accelerates the process of atherosclerosis by promoting arterial intimal hyperplasia. Therefore, inhibiting the abnormal proliferation of VSMCs is the current method to inhibit neointimal hyperplasia.172,173,174 Ribosome biogenesis regulates cell proliferation and differentiation. It is known that ribosome biogenesis includes three key steps: rRNA synthesis, ribosomal protein (RP) synthesis, and their assembly into the mature ribosome.175,176 The maturation of rRNA during ribosome assembly is closely associated with the PES-BOP1-WDR12 (PeBoW) complex, which binds to pre-rRNA and promotes 47S pre-rRNA into mature 28S and 5.8S rRNA. The core regulator of the PeBoW complex may be involved in the production of 28S and 5.8S rRNA.177 Jia et al.177,178 found that BOP1 is increased in the coronary arteries of patients with atherosclerosis and is accompanied by the neointimal hyperplasia caused by VSMC proliferation (Fig. 6b). Therefore, increased expression‎ of BOP1 and PES1 promotes ribosome biogenesis leading to abnormal proliferation of VSMCs and atherosclerosis. Holdt et al.76 confirmed that circARNL occupies the pre-rRNA site of another member of the PeBoW complex, PES1, and inhibits the cleavage of pre-rRNA by exonuclease, thereby inhibiting the proliferation of VSMCs by inhibiting ribosome biogenesis and delaying the atherosclerotic process. Importantly, it has been reported that curcumin effectively inhibits the proliferation of VSMCs and slows the development of atherosclerosis. The mechanism is that curcumin promotes DNMN2 expression‎, which in turn elevates the levels of 18S rRNA methylation.179 The above reports suggest that suppressing ribosome biogenesis may be a new approach for inhibiting the proliferation of VSMCs.

Atherosclerosis is also a chronic inflammatory disease, as an inflammatory response accompanies its onset.180 Macrophages are one of the cells responsible for atherosclerosis; they form foam cells by phagocytosing lipid droplets and accelerating the progression of atherosclerosis.181,182 Basu et al.183 reported that macrophage-specific deletion of RPL13 increases the susceptibility of ApoE knockout mice to high-fat diet-induced atherosclerosis. The protective effect of RPL13 on atherosclerosis may be related to its translational silencing activity: the deletion of RPL13 promotes the translation of mRNAs for CCL22, CXCL13, and CCR3 in macrophages, causing increased expression‎ of inflammatory cytokines. In summary, RPL13 inhibits macrophage-induced inflammation and atherosclerosis by inhibiting the translation of inflammatory genes such as CCL22, CXCL13a, and CCR3.

Since atherosclerosis is a chronic process, the time from its onset to its detection may take a long time. The use of ribosome biogenesis as a predictive factor for atherosclerosis has emerged. Wang et al.184 analyzed the plasma samples of patients with familial hypercholesterolemia and found that RPL9, RPL35, RPS7, and RPL23 showed a downward trend. The expressed genes were mainly involved in the ribosomal and oxidative phosphorylation pathways. Jiménez et al.185 found that m6A in the 18S rRNA component is significantly reduced in both early and late atherosclerosis samples by mass spectrometry, suggesting that 18S rRNA has abnormal methylation modification in early and late atherosclerosis. Therefore, various components of the ribosome may be used for the early detection of atherosclerosis.

Nucleolin (Ncl) and CVD

Ribosome biogenesis begins in the nucleolus, where different rRNA subunits are transcribed as a polycistronic transcript by RNA polymerase I. More than 300 non-ribosomal factors, including nucleolin, regulates pre-rRNA transcription and ribosome assembly.186 Due to the complex nature of the ribosome biogenesis process, misassembly of the ribosomes may occur. To prevent the build-up of incorrectly folded ribosomes, a quality control mechanism is in place to detect and degrade the non-functional ribosomes, and this process is regulated by non-ribosomal proteins.187 Nucleolin is also present on the cell surface and is overexpressed in cancer cells.188

Ncl regulates cellular functions by participating in multiple stages of ribosome biogenesis, such as rDNA transcription, increased RNA Pol I transcriptional activity, and ribosome assembly.189,190 In addition, as a shuttle protein, the correct subcellular localization of Ncl is critical for its biological function, and the abnormal localization of Ncl is involved in various pathological processes.190 Recent studies suggest that abnormal Ncl expression‎ is involved in the development of CVD, including MI191, heart failure (HF)192, and atherosclerosis.193

The protein level of Ncl is significantly decreased during MI, while the overexpression‎ of Ncl reduces the infarct area and cell death in rat hearts.194 Cardiomyocyte-specific Ncl transgenic mice are resistant to doxorubicin-induced cardiotoxicity, indicating the cardioprotective effect of Ncl in this process.195 Of note, the heart of Ncl-deficient fish exhibits a severe cardiomyocyte defect, cardiac development disorder, and abnormal ventricular remodeling and dysfunction; the mechanism involves the reduction of rRNA transcription and heterochromatin caused by reduced Ncl.196 Knockdown of Ncl expression‎ in neonatal rat ventricular myocytes leads to an increased expression‎ of heterochromatin marker H3K9Me3 and a decrease in the transcript levels of pre-rRNA and 18S rRNA.197

Current studies confirm‎ that Ncl can protect against MI through myocardial ischemic preconditioning (IP).191 IP is a short period of myocardial ischemia/reperfusion (I/R), significantly reducing the damage caused by subsequent long-term I/R, and is also a powerful endogenous heart protection mechanism.198,199 Jiang et al.200 found that Ncl is an important endogenous cardioprotective factor in myocardial IP. Ncl binds to the 3’UTR of HSPA1A mRNA, a member of the heat-shock protein (HSP) family, to upregulate the expression‎ of HSPA1A by stabilizing its mRNA. As a phosphorylated protein, Ncl participates in rRNA synthesis and cell proliferation.190 Tong et al.167 demonstrated that threonine phosphorylation at positions 76 and 84 is essential for Ncl to reduce caspase-3 activity and inhibit cardiomyocyte apoptosis. This study also found that Ncl undergoes phosphorylation modification after translocation from the nucleus to the cytoplasm.

Macrophage phenotype-switching between the pro-inflammatory M1 and the anti-inflammatory M2 phenotype exhibit plasticity during the post-MI inflammatory response and tissue repair.201 Using a mouse MI model, Tang et al.169 found that the expression‎ of Ncl mRNA and protein decreased gradually from day 3 after MI, then increased gradually, reaching a peak on day 7. The macrophages in the myocardium switch from the M1 phenotype 2 days after MI to the M2 phenotype 5 days after MI, suggesting a potential correlation between Ncl expression‎ and macrophage phenotype-switching. Mechanistically, Ncl promotes the polarization of M2 macrophages by binding to the 5’ UTR or translation region of Notch3 and STAT6 mRNA to promote their stabilization.

The main feature of atherosclerosis is the formation of fat-rich plaques in medium and large vessels.202 The progression of the disease is linked to the recruitment of monocytes that differentiate into macrophages, which subsequently absorb lipids to become foam cells that produce inflammatory cytokines. Thus, rapid clearance of foam cells can inhibit the inflammatory response and ultimately delay plaque development.203,204 Ncl plays an important role in regulating the progression of atherosclerosis.203 Li et al.205 reported that macrophage transformation into foam cells is associated with decreased expression‎ of Ncl protein. Ncl enhances the stability of ABCA1, which promotes cholesterol efflux and inhibits lipid accumulation and the formation of foam cells. It has also been shown that under normal conditions, the interaction between Ncl with Dnm3os prevents its enrichment to histone H3K9ac on the promoters of pro-inflammatory genes such as IL6.193 However, Sun et al.206 showed that oxidized low-density lipoprotein (oxLDL), one of the inducers of atherosclerosis, upregulates Ncl mRNA and protein expression‎ in vascular smooth muscle cells (VSMCs) in a dose-dependent manner. The abnormal proliferation of VSMCs is the pathological basis for the development of atherosclerosis. Ncl promotes VSMC proliferation and cell cycle changes under oxLDL treatment. Under normal circumstances, Aurora B is mainly located in the nucleus and is dynamically expressed in the G2-M phase. Aurora B is associated with Ncl proteins, and it is speculated that the combination of the two promotes cell proliferation.

In summary, ribosome biogenesis plays an essential role in developing CVDs. The specific functions of ribosome biogenesis regulators, such as Ncl, in different cardiovascular cells and diseases deserve further study.

뉴클레올린 (Ncl)과 CVD

리보솜 생합성은 뉴클레올에서 시작되며, 여기서 RNA 폴리메라제 I에 의해 다양한 rRNA 서브유닛이 다중 유전자 전사체로 전사됩니다. 뉴클레올린을 포함한 300개 이상의 비리보솜 인자가 전-rRNA 전사와 리보솜 조립을 조절합니다.186 리보솜 생합성 과정의 복잡성으로 인해 리보솜의 조립 오류가 발생할 수 있습니다. 잘못 접힌 리보솜의 축적을 방지하기 위해, 비기능성 리보솜을 탐지하고 분해하는 품질 관리 메커니즘이 존재하며, 이 과정은 비리보솜 단백질에 의해 조절됩니다.187 뉴클레올린은 세포 표면에 존재하며 암 세포에서 과발현됩니다.188

Ncl은 rDNA 전사, RNA Pol I 전사 활성 증가, 리보솜 조립 등 리보솜 생합성의 여러 단계에 참여하여 세포 기능을 조절합니다. 189,190 또한, 셔틀 단백질로서 Ncl의 정확한 세포 내 국소화는 생물학적 기능에 필수적이며, Ncl의 비정상적인 국소화는 다양한 병리적 과정에 관여합니다.190 최근 연구에서는 Ncl의 비정상적인 발현이 심근경색(MI)191, 심부전(HF)192, 동맥경화증193 등 심혈관 질환(CVD)의 발생에 관여한다는 것이 제안되었습니다.

MI 동안 Ncl의 단백질 수준은 유의미하게 감소하며, Ncl의 과발현은 쥐 심장의 심근 경색 부위와 세포 사멸을 감소시킵니다.194 심근 세포 특이적 Ncl 전유전자 쥐는 도세탁신 유발 심근 독성에 저항성을 보이며, 이는 Ncl의 심장 보호 효과를 시사합니다.195 주목할 점은 Ncl 결핍 어류의 심장이 심근 세포 결함, 심장 발달 장애, 이상적인 심실 재형성과 기능 장애를 보입니다; 이 메커니즘은 Ncl 감소로 인한 rRNA 전사 및 이질염색질 감소와 관련이 있습니다.196 신생아 쥐 심실 근육 세포에서 Ncl 발현을 억제하면 이질염색질 표지자 H3K9Me3의 발현이 증가하고 전-rRNA 및 18S rRNA 전사 수준이 감소합니다.197

현재 연구는 Ncl이 심근 허혈 전조 조건화(IP)를 통해 심근경색(MI)으로부터 보호한다는 것을 확인했습니다.191 IP는 심근 허혈/재관류(I/R)의 짧은 기간으로, 후속 장기 I/R로 인한 손상을 크게 감소시키며, 강력한 내인성 심장 보호 메커니즘입니다.198,199 Jiang 등200은 Ncl이 심근 IP에서 중요한 내인성 심장 보호 인자임을 발견했습니다. Ncl은 열 충격 단백질(HSP) 가족의 일원인 HSPA1A mRNA의 3'UTR에 결합하여 mRNA 안정화를 통해 HSPA1A 발현을 증가시킵니다. 인산화 단백질로서 Ncl은 rRNA 합성과 세포 증식에 참여합니다.190 Tong 등167은 76번과 84번 위치의 티로신 인산화가 Ncl이 caspase-3 활성을 감소시키고 심근 세포 사멸을 억제하는 데 필수적임을 보여주었습니다. 이 연구는 또한 Ncl이 핵에서 세포질로 이동한 후 인산화 변형을 겪는다는 사실을 발견했습니다.

심근경색 후 염증 반응 및 조직 재생 과정에서 대식세포의 염증성 M1 형질과 항염증성 M2 형질 간의 전환은 가소성을 보입니다.201 쥐 심근경색 모델을 사용한 Tang 등169은 심근경색 후 3일부터 Ncl mRNA 및 단백질 발현이 점차 감소한 후 점차 증가해 7일에 정점을 이뤘다고 보고했습니다. 심근 내 대식세포는 MI 후 2일째 M1 형질에서 MI 후 5일째 M2 형질로 전환되며, 이는 Ncl 발현과 대식세포 형질 전환 간의 잠재적 상관관계를 시사합니다. 기전적으로 Ncl은 Notch3 및 STAT6 mRNA의 5' UTR 또는 번역 영역에 결합하여 그 안정화를 촉진함으로써 M2 대식세포의 분극화를 촉진합니다.

동맥경화의 주요 특징은 중형 및 대형 혈관에서 지방이 풍부한 플라크의 형성입니다.202 이 질환의 진행은 단핵구가 대식세포로 분화되어 지방을 흡수해 거품 세포로 변환되어 염증성 사이토카인을 생성하는 과정과 연관되어 있습니다. 따라서 거품 세포의 빠른 제거는 염증 반응을 억제하고 궁극적으로 플라크 형성을 지연시킬 수 있습니다.203,204 Ncl은 동맥경화증 진행 조절에 중요한 역할을 합니다.203 Li 등205는 대식세포가 거품 세포로 변환되는 것이 Ncl 단백질 발현 감소와 연관되어 있음을 보고했습니다. Ncl은 ABCA1의 안정성을 높여 콜레스테롤 배출을 촉진하고 지질 축적 및 거품 세포 형성을 억제합니다. 또한 정상 조건에서 Ncl과 Dnm3os의 상호작용은 IL6와 같은 염증성 유전자 프로모터에 히스톤 H3K9ac의 축적을 방지합니다. 193 그러나 Sun 등206은 동맥경화증의 유발인자 중 하나인 산화 저밀도 지단백질(oxLDL)이 혈관 평활근 세포(VSMCs)에서 Ncl mRNA 및 단백질 발현을 용량 의존적으로 증가시킨다는 것을 보여주었습니다. VSMCs의 비정상적인 증식은 동맥경화증 발병의 병리학적 기반입니다. Ncl은 oxLDL 처리 하에서 VSMC 증식 및 세포 주기 변화를 촉진합니다. 정상적인 조건에서 Aurora B는 주로 핵에 위치하며 G2-M 단계에서 동적으로 발현됩니다. Aurora B는 Ncl 단백질과 연관되어 있으며, 두 단백질의 결합이 세포 증식을 촉진한다는 추측이 있습니다.

요약하면, 리보솜 생합성은 심혈관 질환(CVD)의 발생에 필수적인 역할을 합니다. Ncl과 같은 리보솜 생합성 조절 인자의 특정 기능은 다양한 심혈관 세포와 질환에서 추가 연구가 필요합니다.

Ribosomes, aging, and neurodegenerative diseases

Aging is a complex multifactorial, and irreversible biological process characterized by the degeneration of cellular, tissue, and organ functions over time. Among the various molecular mechanisms of aging, deterioration of the rate of protein synthesis and the function of ribosomes plays a central role.207,208,209

The evidence of the association between deregulated ribosome biogenesis and aging

Zhang et al.210 compared gene expression‎ differences by RT-PCR differential display using epithelia dissected from age-related cataracts and normal lenses. The results revealed that human age-related cataract is correlated with decreased expression‎ of ribosomal proteins L21, L15, L13a, and L7a.

A gradual decrease in muscle mass is a common feature in older individuals. Kirby et al.211 showed that aged muscle failed to upregulate pre-47S ribosomal RNA (rRNA) expression‎, suggesting a reduction of ribosome biogenesis in aged mice.

It was shown that both the translation of RP mRNA and overall mRNA translation efficiency decline with age, suggesting some defect in the process of ribosome biogenesis during aging.212 A recent study revealed that the ribosome of aging cells moves more slowly and periodically, causing the "stalling" of ribosome translation to increase, resulting in a collision and the accumulation of new peptides, thus aggravating ribosome dysfunction and aging.213 This study shed new light on the mechanism of the ribosome-stalling/collision/ribosome-dysfunction axis in age-dependent damage (Fig. 7a). The stalling of ribosomes during translation can cause protein truncation. Ribosomal Quality Control (RQC) is a mechanism to clear the stalling of ribosomes. However, the function of RQC decreased with age, leading to ribosome-stalling/collision and protein aggregation.

리보솜, 노화, 및 신경퇴행성 질환

노화는 시간에 따라 세포, 조직, 및 장기 기능의 퇴화로 특징지어지는

복잡하고 다인자적이며 불가역적인 생물학적 과정입니다.

노화의 다양한 분자적 메커니즘 중

단백질 합성 속도의 저하와

리보솜 기능의 퇴화는 중심적인 역할을 합니다.207,208,209

리보솜 생합성의 조절 장애와 노화 간의 연관성에 대한 증거

Zhang 등210은 연령 관련 백내장 및 정상 렌즈에서 분리된 상피 조직을 대상으로 RT-PCR 차동 표시법을 통해 유전자 발현 차이를 비교했습니다. 결과는 인간 연령 관련 백내장이 리보솜 단백질 L21, L15, L13a, 및 L7a의 발현 감소와 관련이 있음을 보여주었습니다.

근육량의 점진적 감소는 노인에서 흔히 관찰되는 특징입니다.

Kirby 등211은

노화된 근육이 pre-47S 리보솜 RNA (rRNA) 발현을 증가시키지 못함을 보여주었으며,

이는 노화된 쥐에서 리보솜 생합성 감소 가능성을 시사합니다.

RP mRNA의 번역 및 전체 mRNA 번역 효율이 연령에 따라 감소한다는 것이 밝혀졌으며,

이는 노화 과정에서 리보솜 생합성 과정에 결함이 존재함을 시사합니다. 212

최근 연구에서

노화 세포의 리보솜이 더 느리고 주기적으로 이동하여 리보솜 번역의 “정지”가 증가하며,

이는 새로운 펩타이드의 충돌과 축적을 유발해 리보솜 기능 장애와 노화를 악화시킨다는 것이 밝혀졌습니다.213

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8918044/

Ageing is accompanied by a decline in cellular proteostasis, which underlies many age-related protein misfolding diseases 1,2 . Yet, how ageing impairs proteostasis remains unclear. As nascent polypeptides represent a substantial burden on the proteostasis network 3 , we hypothesized that altered translational efficiency during ageing could help drive proteostasis collapse. Here, we show that ageing alters the kinetics of translation elongation in both  C. elegans  and  S. cerevisiae.  Ribosome pausing was exacerbated at specific positions in aged yeast and worms, including polybasic stretches, leading to increased ribosome collisions known to trigger Ribosome-associated Quality Control (RQC) 4–6 . Notably, aged yeast cells exhibited impaired clearance and increased aggregation of RQC substrates, indicating ageing overwhelms this pathway. Indeed, long-lived yeast mutants reduced age-dependent ribosome pausing, and extended lifespan correlated with greater flux through the RQC pathway. Further linking altered translation to proteostasis collapse, we found that nascent polypeptides exhibiting age-dependent ribosome pausing in  C. elegans  were strongly enriched among age-dependent protein aggregates. Remarkably, ageing increased the pausing and aggregation of many proteostasis components, which could initiate a detrimental cycle of proteostasis collapse. We propose that increased ribosome pausing, leading to RQC overload and nascent polypeptide aggregation, critically contributes to proteostasis impairment and systemic decline during ageing. 노화는 세포 내 단백질 균형 유지(proteostasis)의 저하와 동반되며, 이는 많은 노화 관련 단백질 변형 질환의 기반이 됩니다1,2. 그러나 노화가 proteostasis를 어떻게 손상시키는지는 아직 명확하지 않습니다. 신생 폴리펩티드는 proteostasis 네트워크에 상당한 부담을 주기 때문에3, 우리는 노화 과정에서 번역 효율의 변화가 proteostasis 붕괴를 촉진할 수 있다고 가설을 세웠습니다. 본 연구에서 우리는 C. elegans와 S. cerevisiae에서 노화가 번역 연장 동역학을 변화시킨다는 것을 보여주었습니다. 노화된 효모와 벌레에서 특정 위치, 특히 다중 기본 아미노산 연속 구간에서 리보솜 정지가 심화되었으며, 이는 리보솜 관련 품질 관리(RQC)를 유발하는 것으로 알려진 리보솜 충돌이 증가했습니다4–6. 특히, 노화된 효모 세포는 RQC 기질의 제거 장애와 집적 증가를 보였으며, 이는 노화가 이 경로를 압도함을 나타냅니다. 실제로, 장수 효모 돌연변이는 연령에 따른 리보솜 정지가 감소했으며, 수명 연장은 RQC 경로를 통한 유동량 증가와 관련이 있었습니다. 번역 변화와 프로테오스타시스 붕괴의 연관성을 더욱 명확히 하기 위해, C. elegans에서 연령 의존적 리보솜 정지 현상을 보이는 신생 폴리펩티드가 연령 의존적 단백질 집적물에서 강하게 풍부하게 존재함을 발견했습니다. 놀랍게도 노화는 많은 프로테오스타시스 구성 요소의 정지와 집합을 증가시켰으며, 이는 프로테오스타시스 붕괴의 유해한 순환을 유발할 수 있습니다. 우리는 리보솜 정지의 증가가 RQC 과부하와 신생 폴리펩티드 집합을 초래하여 노화 과정에서 프로테오스타시스 장애와 체계적 쇠퇴에 결정적으로 기여한다고 제안합니다.

이 연구는

연령 의존적 손상에서의 리보솜 정지/충돌/리보솜 기능 장애 축의 메커니즘에

새로운 빛을 던졌습니다(그림 7a).

번역 중 리보솜의 정지는

단백질 단축을 유발할 수 있습니다.

리보솜 품질 관리(RQC)는 리보솜 정지를 제거하는 메커니즘입니다.

그러나 RQC의 기능은 노화에 따라 감소하여 리보솜 정지/충돌 및 단백질 응집을 초래합니다.

Fig. 7

a Ribosome-stalling/collision/ribosome dysfunction and aging. The primary clearance pathway for ribosome collisions is the degradation of nascent peptides through ribosomal quality control (RQC). RQC decreases with age, and ribosome-stalling/collision triggers ribosome dysfunction. As a result, ribosome dysfunction leads to increased nascent polypeptides and protein aggregation. 

b Ribosomes and the signaling pathway of cellular senescence. Cellular DNA damage can be induced by radiation or chemotherapy, which activates p53-dependent stress responses and cause cellular senescence. SIRT1, a member of the longevity protein family, directly affects the activity of key proteins in the senescence pathway through deacetylating transcription factors. Moreover, SIRT1 recruits methylation enzymes to affect ribosome biogenesis by regulating chromatin remodeling, and abnormal ribosome biogenesis can directly affect p53 and telomerase activity to accelerate cellular senescence. Genomic instability of rDNA causes cellular senescence, and SIRT7, a member of the longevity protein family, affects rDNA stability by interacting with chromatin remodeling factors and RNA polymerase. Ncl and SIRT7 interact with proteins, and Ncl binding to telomeric reverse transcriptase affects ribosome biogenesis. Ac acetylation, CDK cyclin-dependent kinases, Me methylation, Ncl nucleolin, p phosphorylation, rDNA ribosomal DNA, RNA pol Ι RNA polymerase Ι

a 리보솜 정지/충돌/리보솜 기능 장애와 노화.

리보솜 충돌의 주요 제거 경로는 리보솜 품질 관리(RQC)를 통해 신생 펩타이드의 분해입니다. RQC는 연령에 따라 감소하며, 리보솜 정지/충돌은 리보솜 기능 장애를 유발합니다. 결과적으로 리보솜 기능 장애는 신생 폴리펩타이드의 증가와 단백질 응집을 초래합니다.

b 리보솜과 세포 노화 신호 전달 경로.

세포 DNA 손상은 방사선이나 화학 요법에 의해 유발될 수 있으며, 이는 p53 의존성 스트레스 반응을 활성화하여 세포 노화를 유발합니다. 장수 단백질 가족의 일원인 SIRT1은 전사 인자의 탈아세틸화를 통해 노화 경로의 핵심 단백질 활성에 직접 영향을 미칩니다. 또한 SIRT1은 염색질 재구조화를 조절하여 메틸화 효소를 모집해 리보솜 생합성에 영향을 미치며, 리보솜 생합성의 이상은 p53과 텔로머라제 활성에 직접 영향을 주어 세포 노화를 가속화합니다. rDNA의 유전체 불안정은 세포 노화를 유발하며, 장수 단백질 가족의 일원인 SIRT7은 염색질 재구조화 인자와 RNA 중합효소와 상호작용하여 rDNA 안정성에 영향을 미칩니다. Ncl과 SIRT7은 단백질과 상호작용하며, Ncl이 텔로미어 역전사 효소에 결합하면 리보솜 생성에 영향을 미칩니다. Ac 아세틸화, CDK 사이클린 의존성 키나제, Me 메틸화, Ncl 뉴클레올린, p 인산화, rDNA 리보솜 DNA, RNA pol Ι RNA 폴리메라제 Ι

Full size image

The potential mechanisms contributing to deregulated ribosome biogenesis and aging

rDNA genome instability due to the accumulation of DNA damage has been implicated as a causal factor in aging.214 It was shown that hematopoietic stem cells build up chromosome breaks in their rDNA genes during aging.215 Moreover, increased rDNA instability has been found in premature aging diseases, such as Bloom and Werner syndromes.6

SIRT7 can stabilize SNF2H protein at the rDNA promoter. When SIRT7 is knocked out, the copy number of rDNA is reduced by 50%.216,217,218 SIRT7 also promotes RNA polymerase binding to the rDNA promoter region and coding region by catalyzing the deacetylation of RNA pol I.219 Moreover, SIRT7 maintains rDNA repeat stability and nucleolar integrity through the recruitment of DNA methyltransferase 1 and SIRT1.219,220 The nucleolus protein u3-55k is also a deacetylation substrate for SIRT7, and SIRT7/u3-55k deacetylation is required for 18s rRNA maturation and ribosome biogenesis (Fig. 7b).221 Radiation or chemotherapy-induced cellular senescence is mediated by p53-dependent stress responses. SIRT1 recruits methylation enzymes to affect ribosome biogenesis by regulating chromatin remodeling.

리보솜 생합성 조절 장애와 노화에 기여하는 잠재적 메커니즘

DNA 손상의 축적에 따른 rDNA 유전체 불안정성이

노화의 원인 요인으로 지목되어 왔습니다.214

연구 결과,

혈액 줄기 세포는

노화 과정에서 rDNA 유전자에서 염색체 파열이 축적되는 것으로

확인되었습니다.215

또한

블룸 증후군과 워너 증후군과 같은 조기 노화 질환에서

rDNA 불안정성이 증가한 것이 관찰되었습니다.6

SIRT7은

rDNA 프로모터에서 SNF2H 단백질을 안정화시킵니다.

SIRT7이 결손된 경우

rDNA의 복사 수가 50% 감소합니다.216,217,218

SIRT7은

RNA 폴리메라제 I의 탈아세틸화를 촉매하여

RNA 폴리메라제가 rDNA 프로모터 지역과 코딩 지역에 결합하도록 촉진합니다.219

또한 SIRT7은

DNA 메틸트랜스퍼레이즈 1과 SIRT1의 모집을 통해

rDNA 반복 안정성과 핵소체 무결성을 유지합니다. 219,220

핵소체 단백질 u3-55k는

SIRT7의 탈아세틸화 기질이며,

SIRT7/u3-55k 탈아세틸화는

18s rRNA 성숙과 리보솜 생성에 필수적입니다(그림 7b).221

방사선 또는 화학요법으로 유발된 세포 노화는

p53 의존적 스트레스 반응을 통해 매개됩니다.

SIRT1은

염색질 재구조화를 조절함으로써 메틸화 효소를 모집하여

리보솜 생성에 영향을 미칩니다.

Ribosome and neurodegenerative diseases

Studies have shown that most nervous system diseases are caused by abnormal protein synthesis, and ribosome dysfunction disrupts the homeostasis of neurons and glial cells.222,223

Alzheimer′s disease (AD) is a neurodegenerative disease, which is chronic and progressive, and the probability of developing dementia is as high as 60–70%.224 It is widely assumed that ribosome dysfunction in the cerebral cortex is one of the important pathological mechanisms of AD. Studies have found that protein levels of 5.8S and 5S rRNA are significantly reduced in early AD patients, suggesting that AD affects rRNA processing and maturation.225 Similarly, total rRNA levels are decreased in the brains of AD patients and are accompanied by an increase in 5S rRNA oxidation.226 This study indicated that the increased oxidation of 5S rRNA is associated with neurodegeneration in AD. Hernandez-Ortega et al.227 found that the protein levels of Ncl, and the mRNA of the upstream binding transcription factor RNA Pol I gene are decreased in late AD. In addition, alterations in the translation initiation factors eIF2α, eIF3h, eIF5, and elongation factor eEF2 have been found in AD patients.

Parkinson’s disease (PD) is an age-related neurodegenerative disorder characterized by degeneration, necrosis, and reduction of dopamine and noradrenergic neurons.228,229 Decreased rRNA synthesis and changes in nucleolar volume are physiological characteristics of the elderly, while aging is the major risk factor for PD. Reduced rRNA synthesis and nucleolar destruction have been reported in the dopaminergic neurons of PD mice, indicating that ribosome dysfunction may cause neuronal degeneration in PD patients.230 Further studies have demonstrated that rRNA synthesis and nucleolar volume are reduced in the dopaminergic neurons of PD patients, while nucleolar integrity is compromised as the disease progresses.231 The above results demonstrate that ribosome biogenesis is impaired in the neurodegenerative process of PD, and may be one of the factors that trigger neuronal cell death.

Accumulating evidence suggests that dysregulated ribosome biogenesis is involved in aging and neurodegenerative diseases. Future studies should focus on developing novel therapies to restore the function of ribosomes.

리보솜과 신경퇴행성 질환

연구 결과,

대부분의 신경계 질환은

비정상적인 단백질 합성에 의해 유발되며,

리보솜 기능 장애는 신경세포와 글리아 세포의 항상성을 방해합니다.222,223

알츠하이머 병(AD)은

만성적이고 진행성인 신경퇴행성 질환으로,

치매 발병 확률은 60–70%에 달합니다.224

뇌 피질에서의 리보솜 기능 장애가 AD의 중요한 병리학적 메커니즘 중 하나라는 것이 널리 추정되고 있습니다.

연구 결과,

초기 AD 환자의 5.8S 및 5S rRNA 단백질 수준이 유의미하게 감소했으며,

이는 AD가 rRNA 처리 및 성숙에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.225

마찬가지로,

AD 환자의 뇌에서 총 rRNA 수준이 감소했으며,

이는 5S rRNA 산화 증가와 동반되었습니다.226

이 연구는 5S rRNA 산화 증가가 AD에서의 신경퇴화와 연관되어 있음을 나타냈습니다. Hernandez-Ortega 등227은 후기 AD에서 Ncl 단백질 수준과 상류 결합 전사 인자 RNA Pol I 유전자의 mRNA 수준이 감소함을 발견했습니다. 또한 AD 환자에서 번역 시작 인자 eIF2α, eIF3h, eIF5 및 연장 인자 eEF2의 변화가 관찰되었습니다.

파킨슨병(PD)은

도파민과 노르아드레날린 신경세포의 퇴화, 괴사, 감소로

특징지어지는 연령 관련 신경퇴행성 질환입니다.228,229

rRNA 합성 감소와 핵소체 부피 변화는 노인의 생리적 특징이며,

노화는 PD의 주요 위험 요인입니다.

PD 마우스의 도파민 신경세포에서 rRNA 합성 감소와 핵소체 파괴가 보고되었으며, 이는 PD 환자의 신경세포 퇴화에 리보솜 기능 장애가 관여할 수 있음을 시사합니다.230

추가 연구에서 PD 환자의 도파민 신경세포에서 rRNA 합성과 핵소체 부피가 감소했으며, 질병 진행에 따라 핵소체 무결성이 손상된 것으로 확인되었습니다. 231 위 결과는 PD의 신경퇴행성 과정에서 리보솜 생합성이 손상되었으며, 이는 신경세포 사멸을 유발하는 요인 중 하나일 수 있음을 보여줍니다.

증가하는 증거는 리보솜 생합성의 이상이 노화와 신경퇴행성 질환에 관여함을 시사합니다.

향후 연구는 리보솜 기능을 회복하기 위한 새로운 치료법 개발에 초점을 맞춰야 합니다.

Ribosomes and cancer

Multiple oncogenic signaling pathways contribute to enhanced ribosome biogenesis and protein synthesis in cancer cells. Thus, ribosome biogenesis has emerged as a potential therapeutic target. For further information on the role of ribosome biogenesis in cancer, we refer readers to other reviews.232,233,234,235

Abnormally active ribosome biogenesis is critical for cancer cells and mediates fundamental mechanisms of cell proliferation and migration (Fig. 8).236,237 In cancer cells, Myc upregulates rDNA transcription by activating RNA pol I-mediated 47S pre-rRNA synthesis. Ncl promotes cancer growth by increasing the RNA Pol I activity. Blood diseases are associated with RPL5/11, RPS7/24, and RPS19 dysfunction, leading to the activation of p53. Abnormal rDNA transcription affects the processing of 47S pre-rRNA into mature 5.8S, 18S, and 28S rRNA, disrupting rRNA synthesis and nucleolar integrity, and ultimately inducing neuronal cell death. Many studies have demonstrated that RPs regulate the expression‎ of oncogenes and cancer suppressor genes and therefore participate in the development and metastasis of cancers.238 The oncogene Myc acts as an active hub for the progress of cancer239 and increases the rate of ribosome biogenesis by directly activating rRNA synthesis in cancer cells.39,240,241 Meanwhile, the direct binding of Myc to rDNA activates the synthesis of 47S pre-rRNA. Of note, Myc-induced upregulation of RPL14 and RPL28 accelerates lymphoma progression. This process leads to impaired translation of the cell-cycle regulator CDK11 and genomic instability, ultimately leading to lymphatic damage.242,243 Therefore, one primary mechanism by which Myc induces cancer is the alterations of ribosome biogenesis.244

리보솜과 암

여러 종양 유발 신호 전달 경로는 암 세포에서 리보솜 생합성과 단백질 합성을 증가시키는 데 기여합니다.

따라서 리보솜 생합성은 잠재적인 치료 표적으로 부상했습니다.

암에서 리보솜 생합성의 역할에 대한 추가 정보는 다른 리뷰를 참고하시기 바랍니다.232,233,234,235

이상적으로 활성화된 리보솜 생합성은 암 세포에 필수적이며 세포 증식 및 이동의 기본 메커니즘을 매개합니다(그림 8).236,237

암 세포에서 Myc는 RNA 폴리메라제 I에 의해 매개되는 47S 전-리보솜 RNA 합성을 활성화하여 rDNA 전사량을 증가시킵니다.

Ncl은 RNA 폴리메라제 I 활성을 증가시켜 암 성장 촉진합니다.

혈액 질환은 RPL5/11, RPS7/24, 및 RPS19 기능 장애와 연관되어 p53 활성화를 유발합니다.

rDNA 전사 이상은 47S 전-rRNA가 성숙한 5.8S, 18S, 및 28S rRNA로 처리되는 과정을 방해하여 rRNA 합성과 핵소체 무결성을 손상시키며, 결국 신경 세포 사멸을 유발합니다.

많은 연구에서

RPs가 종양 유전자와 암 억제 유전자의 발현을 조절하며

따라서 암의 발생과 전이에 참여한다는 것이 입증되었습니다. 238

암유전자 Myc는 암 진행의 활성 중심체로 작용하며239 암 세포에서 rRNA 합성을 직접 활성화하여 리보솜 생합성 속도를 증가시킵니다.39,240,241

한편, Myc의 rDNA 직접 결합은 47S 전-rRNA 합성을 활성화합니다.

주목할 점은 Myc에 의한 RPL14 및 RPL28의 발현 증가가 림프종 진행을 가속화한다는 것입니다.

이 과정은 세포 주기 조절인자 CDK11의 번역 장애와 유전체 불안정성을 초래하여 결국 림프계 손상으로 이어집니다.242,243

따라서 Myc가 암을 유발하는 주요 메커니즘 중 하나는 리보솜 생합성의 변화입니다.244

Fig. 8: Ribosome and human diseases.

Abnormally active ribosome biogenesis is critical for cancer cell growth.

The oncogene Myc upregulates rDNA transcription, activates RNA pol I-mediated 47S pre-rRNA synthesis, and induces the expression‎ of RPL14 and RPL28 to stimulate ribosome biogenesis. In addition, Ncl enables cancer cells to differentiate and grow indefinitely by increasing the RNA Pol I activity. Blood diseases are associated with abnormal expression‎ of RPs. RPL5/11 and RPS7/24 dysfunction and mutations in RPS19 activate p53, leading to a decline or even disappearance of erythroid cells, increasing the risk of malignant transformation. Ribosome dysfunction disrupts neuronal and glial homeostasis. Abnormal rDNA transcription affects the subsequent processing of 47S pre-rRNA into mature 5.8S, 18S, and 28S rRNA, disrupting rRNA synthesis and nucleolar integrity, and ultimately inducing neuronal cell death. Myc myelocytomatosis oncogene, Ncl nucleolin, rDNA ribosomal DNA, rRNA ribosomal RNA, RNA pol Ι RNA polymerase Ι

이상적으로 활성화된 리보솜 생합성은 암 세포의 성장에 필수적입니다.

암 유전자 Myc는

rDNA 전사량을 증가시키고 RNA 폴리메라제 I에 의해 매개되는 47S 전리보솜 RNA 합성을 활성화며,

RPL14 및 RPL28의 발현을 유도하여 리보솜 생합성을 촉진합니다.

또한 Ncl은 RNA 폴리메라제 I 활성을 증가시켜 암 세포가 분화하고 무한히 성장할 수 있도록 합니다.

혈액 질환은 RPs의 이상 발현과 연관되어 있습니다.

RPL5/11 및 RPS7/24의 기능 장애와 RPS19의 돌연변이는 p53을 활성화시켜 적혈구 세포의 감소 또는 소실을 초래하며, 악성 변환 위험을 증가시킵니다.

리보솜 기능 장애는 신경 세포와 글리아 세포의 균형을 깨뜨립니다.

rDNA 전사 이상은 47S 전-rRNA가 성숙한 5.8S, 18S, 28S rRNA로 처리되는 과정을 방해하여 rRNA 합성과 핵소체 무결성을 손상시키며, 결국 신경 세포 사멸을 유발합니다. 

Myc 골수종 종양유전자, Ncl 핵올린, rDNA 리보솜 DNA, rRNA 리보솜 RNA, RNA pol Ι RNA 폴리메라제 Ι

Ncl promotes rRNA transcription and pre-rRNA processing. Researchers found that Ncl combines with noncoding RNA cytoskeleton regulator RNA and then jointly participates in the development of colorectal cancer.245 Ncl also binds to telomerase reverse transcriptase (TERT) in the nucleoplasm and promotes its nucleolar localization, preventing cancer cells from senescence and maintaining cancer proliferation.246 Furthermore, Lee et al.247 showed that Ncl combines with astrocyte-elevated gene-1 in breast cancer to promote the growth and metastasis of breast cancer cells. Increased ribosome biogenesis in cancer cells is closely associated with continuously activated RNA Pol I/III. It promotes cell proliferation by enhancing the transcriptional activity of RNA Pol I/III and ribosome biogenesis, enabling cancer cells to differentiate and grow indefinitely.190,248

Ribosome biogenesis is an extremely energy-demanding process as it synthesizes the most abundant RNA and various proteins required for cell growth and proliferation. When ribosome biogenesis is impaired, cells must be able to sense the level of intracellular stress and slow down the cell cycle by altering ribosome biogenesis to avoid partial growth and improvised division. This task is accomplished by the tumor suppressor protein p53. Volarevic et al.249 were the first ones to describe cell cycle arrest in mouse liver cells resulting from impaired ribosome biogenesis caused by the deletion of ribosomal protein RPS6 (eS6). Since then, several studies have shown that cell cycle arrest resulting from the activation of p53 can be triggered by the interruption of ribosome biogenesis. This process has been referred to as Impaired Ribosome Biogenesis Checkpoint (IRBC).250

Ribosomopathies are a group of diseases caused by abnormalities of the ribosomal components. Such diseases include Diamon-Blackfan-Anemia, 5-q syndrome, SDS, X-linked DC, CHH, etc. Patients with ribosomopathies are at increased risk of cancer, bone marrow failure, and developmental abnormalities.251 Eμ-Myc lymphoma cells can induce short hairpin RNA expression‎ as ribosomal protein L7a (RPL7a) or RPL11, a key component of IRBC. Only RPL7a reduction induces p53-mediated apoptosis due to the degradation of MCL-1.252 The evidence that IRBC responds to aberrant ribosome biogenesis to prevent oncogenesis was from the knock-in mice expressing mutant mouse double minute 2 (MDM2) C305F, which cannot complex with RPL5/RPL11/5S rRNA material combination. Crossing these mice with Eμ-Myc transgenic mice showed that c-Myc was upregulated and significantly accelerated the development of B-cell lymphomas.253,254 The ability of mutant MDM2 C305F to promote tumorigenesis in a c-Myc-driven cancer model is caused by the inability of the RPL5/RPL11/5S rRNA complex to upregulate p53 levels. These offer the possibility for therapeutic interventions based on IRBC-mediated p53 activation to inhibit carcinogenesis. A recent study demonstrated that IRBC could prevent cancer by reducing DNA damage and genomic instability.255 Impaired ribosome biogenesis caused by abnormal processing of pre-rRNA leads to nucleotide imbalances that can lead to replication stress, DNA damage, and genomic instability, which are hallmarks of cancer.256 Activation of IRBC prevents cancer by inducing p21-dependent G1 phase arrest, thereby preventing cells from entering the S phase in the presence of DNA damage. Many oncogenes induce nucleotide imbalance and impair ribosome biogenesis, DNA replication, and cell proliferation. Therefore, the role of IRBC in maintaining genomic stability will be crucial.255,257

Glutathione peroxidase 4 (GPX4) has emerged as a promising therapeutic target for cancer therapy, but some cancer cells are resistant to ferroptosis triggered by GPX4 inhibition. A recent study by Zhipeng et al.258 revealed the rewiring of selenoprotein hierarchies in cancer cells and identified ribosomal stall and collision during GPX4 translation as a ferroptosis vulnerability in cancer. The development of blood vessels is spatiotemporally regulated, but how this is coordinated across lineages is unclear. Katarzyna and colleagues found that the RNA helicase Ddx21, an important regulator of rRNA synthesis and ribosome biogenesis, controls Vegfc-driven developmental lymphangiogenesis by balancing endothelial ribosome biosynthesis and p53 function.259 This mechanism may be targeted in diseases of hyperlymphangiogenesis, such as cancer metastasis or lymphatic malformations. Fibrillin (FBL), a ribosomal biogenic factor, plays an important role in the early steps of ribosome biogenesis and is associated with poor prognosis in breast cancer when overexpressed. It was shown that a low level of FBL is a new independent marker of poor outcomes in breast cancer.260

Ribosome biogenesis is an essential player in cancer growth and metastasis. The development of ribosome-targeted therapy is emerging. Future works should focus on the influence of microenvironment and ribosome heterogeneity on the development of drug resistance.

Ncl은 rRNA 전사 및 전-rRNA 가공을 촉진합니다. 연구진은 Ncl이 비코딩 RNA 세포골격 조절 RNA와 결합한 후 대장암의 발생에 공동으로 참여한다는 사실을 발견했습니다.245 Ncl은 또한 핵질 내의 텔로머라제 역전사효소(TERT)에 결합하여 그 핵소체 국소화를 촉진함으로써 암 세포의 노화를 방지하고 암 증식을 유지합니다. 246 또한 Lee 등247은 Ncl이 유방암에서 아스트로사이트 증가 유전자-1과 결합하여 유방암 세포의 성장과 전이를 촉진한다는 것을 보여주었습니다. 암 세포에서의 리보솜 생합성 증가 는 지속적으로 활성화된 RNA 폴리메라제 I/III와 밀접하게 연관되어 있습니다. 이는 RNA 폴리메라제 I/III의 전사 활성과 리보솜 생합성을 강화하여 세포 증식을 촉진하며, 암 세포가 분화하고 무한히 성장할 수 있도록 합니다.190,248

리보솜 생성은 세포 성장과 증식에 필요한 가장 풍부한 RNA와 다양한 단백질을 합성하는 극히 에너지 소모적인 과정입니다. 리보솜 생성이 손상되면 세포는 세포 내 스트레스 수준을 감지하고 리보솜 생성을 조절하여 부분적 성장과 무분별한 분열을 피하기 위해 세포 주기를 늦춰야 합니다. 이 임무는 종양 억제 단백질 p53에 의해 수행됩니다. Volarevic 등249은 리보솜 단백질 RPS6 (eS6)의 결실로 인한 리보솜 생합성 장애로 인해 쥐 간 세포에서 세포 주기 정지가 발생한다는 것을 최초로 보고했습니다. 이후 여러 연구에서 p53의 활성화로 인한 세포 주기 정지가 리보솜 생합성 중단에 의해 유발될 수 있음을 보여주었습니다. 이 과정은 '리보솜 생합성 장애 체크포인트 (IRBC)'라고 불립니다.250

리보솜병은 리보솜 구성 요소의 이상으로 인한 질환군입니다. 이러한 질환에는 다이아몬드-블랙팬 빈혈, 5-q 증후군, SDS, X-연관 DC, CHH 등이 포함됩니다. 리보솜 병증 환자는 암, 골수 기능 장애, 발달 이상 위험이 높습니다.251 Eμ-Myc 림프종 세포는 리보솜 단백질 L7a(RPL7a) 또는 IRBC의 핵심 구성 요소인 RPL11의 발현을 유도하여 짧은 헤어핀 RNA를 생성합니다. RPL7a 감소만 MCL-1의 분해로 인해 p53 매개 세포 사멸을 유발합니다.252 IRBC가 이상적인 리보솜 생합성에 반응하여 종양 발생을 방지한다는 증거는 RPL5/RPL11/5S rRNA 물질 조합과 복합체를 형성할 수 없는 돌연변이 마우스 더블 미닛 2(MDM2) C305F를 발현하는 노크인 마우스에서 얻어졌습니다.

이 마우스를 Eμ-Myc 전유전자 마우스와 교배한 결과, c-Myc 발현이 증가하고 B세포 림프종의 발병이 현저히 가속화되었습니다.253,254 변이형 MDM2 C305F가 c-Myc 유도 암 모델에서 종양 형성을 촉진하는 것은 RPL5/RPL11/5S rRNA 복합체가 p53 수준을 증가시키지 못하기 때문입니다. 이는 IRBC 매개 p53 활성화에 기반한 치료적 개입을 통해 암 발생을 억제할 가능성을 제시합니다. 최근 연구에서 IRBC가 DNA 손상과 유전체 불안정성을 감소시켜 암을 예방할 수 있음을 보여주었습니다.255 전사체 rRNA의 이상 처리로 인한 리보솜 생합성 장애는 뉴클레오티드 불균형을 유발하며, 이는 복제 스트레스, DNA 손상, 유전체 불안정성과 같은 암의 특징으로 이어집니다.256 IRBC의 활성화는 DNA 손상 시 세포가 S 단계로 진입하는 것을 방지하는 p21 의존적 G1 단계 정지를 유도하여 암을 예방합니다. 많은 발암 유전자는 핵산 불균형을 유발하고 리보솜 생합성, DNA 복제, 세포 증식을 방해합니다. 따라서 IRBC가 유전체 안정성을 유지하는 데 미치는 역할은 매우 중요할 것입니다.255,257

글루타티온 과산화효소 4(GPX4)는 암 치료의 유망한 치료 표적으로 부상했지만, 일부 암 세포는 GPX4 억제에 의해 유발되는 페로프토시스(ferroptosis)에 저항성을 보입니다. Zhipeng 등258의 최근 연구에서는 암세포에서 셀레노프로테인의 계층 구조가 재구성되는 것이 밝혀졌으며, GPX4 번역 과정에서 리보솜의 정지 및 충돌이 암에서 페로프토시스 취약성의 원인이 되는 것으로 확인되었습니다. 혈관의 발달은 시공간적으로 조절되지만, 이 과정이 계통 전반에 걸쳐 어떻게 조율되는지는 아직 명확하지 않습니다. Katarzyna와 동료들은 rRNA 합성과 리보솜 생성에 중요한 조절인자인 RNA 헬리카제 Ddx21이 내피 세포의 리보솜 생합성과 p53 기능을 균형 조절하여 Vegfc에 의해 유도된 발달성 림프관 생성을 조절한다는 사실을 발견했습니다.259 이 메커니즘은 암 전이 또는 림프관 기형과 같은 과도한 림프관 생성이 발생하는 질환에서 표적 치료로 활용될 수 있습니다. 리보솜 생합성 인자 피브리린(FBL)은 리보솜 생합성의 초기 단계에서 중요한 역할을 하며, 유방암에서 과발현 시 예후가 불량과 연관되어 있습니다. FBL의 낮은 수준이 유방암의 예후 불량에 대한 새로운 독립적 지표로 확인되었습니다.260

리보솜 생성은 암 성장과 전이에 필수적인 역할을 합니다. 리보솜 표적 치료법의 개발이 진행 중입니다. 향후 연구는 미세환경과 리보솜 이질성이 약물 저항성 발달에 미치는 영향에 초점을 맞춰야 합니다.

Ribosome and blood diseases

Due to the rapid renewal of bone marrow hematopoietic cells, ribosome biogenesis is involved in this process.261,262 Therefore, the blood system is more vulnerable to ribosome dysfunction. It has been shown that some blood diseases are associated with ribosome dysfunction.263,264,265

Diamond-Blackfan anemia (DBA) is a bone marrow failure syndrome in which the number of erythroid precursor cells in the marrow of patients is markedly decreased or even disappears, which increases the risk of malignant transformation.266,267 Studies have shown that a mutation of ribosomal protein S19 (RPS19) involved in the assembly of the 40S small ribosome subunit is closely associated with the pathogenesis of DBA. RPS19 is critical for hematopoietic differentiation in zebrafish, and its deletion leads to abnormal apoptosis during erythropoiesis.268 The overexpression‎ of RPS19 cDNA in bone marrow cells of DBA mice reduces apoptosis, increases the formation of erythroid colonies, and attenuates bone marrow failure.269 The mutation of RPS19 activates p53 and causes cell senescence, and the decreased red blood cells caused by RPS19 mutation can be reversed by p53 deletion.270 Furthermore, it was shown that anemia is significantly alleviated in p53-deficient mice.271 In addition, RPS7, RPS24, RPL11, and RPL5 have also been confirmed to be closely associated with DBA.272,273

Shwachman-Diamond syndrome (SDS), the inherited ribosomopathy, is characterized by bone marrow failure and a high risk of myeloid malignancies at a young age. In 2003, Boocock et al.274 reported that the mutation of the Shwachman Bodian Diamond Syndrome (SBDS) gene is the genetic basis for developing SDS. The protein is a cofactor for elongation factor-like GTPase1 (EFL1), which removes the eukaryotic translation initiation factor 6 (eIF6) from the large ribosomal subunit, allowing the 60S subunit to form an active ribosome with the 40S ribosomal subunit.275,276 In particular, mutations in other genes associated with SBDS, DNAJC21, EFL1, and SRP54, all participate in the removal of eIF6 from the 60S subunit together with SBDS.275,277 Failure to release eIF6 can cause SDS.278 In addition, SBDS coprecipitated with pre-60S subunit in a sucrose gradient and bound to 28S rRNA as a component of mature 60S ribosomal subunit.279 Therefore, mutations in the SBDS gene lead to impaired ribosome assembly. SDS cells were also found to have aberrant expression‎ of many genes involved in rRNA and mRNA processing and reduced expression‎ of several ribosomal protein genes, including RPS9, RPS20, RPL6, RPL15, RPL22, RPL23, and RPL29, which are involved in cell growth and survival.280

X-linked dyskeratosis congenita (X-linked DC) is associated with mutations in the DKC1 gene encoding dyskerin.281 Dyskerin is an enzyme that catalyzes the pseudouridylation of specific uridine residues in newly synthesized rRNAs.264 Pseudouridines regulate ribosome and rRNA biogenesis when associated with small nucleolar RNAs (snoRNA). Cell lines from patients with X-linked DC exhibit altered regulation of snoRNAs and defects in rRNA processing.276,282 Furthermore, NPM1 mutations found in DC patients lead to alterations in rRNA 2’-O-methylation.283

Cartilage Hair Hypoplasia (CHH) is an autosomal recessive disorder caused by mutations of the RNA component of the mitochondrial RNA processing endoribonuclease (RMRP) gene.284 RMRP is a long noncoding RNA (lncRNA) that participates in the formation of RNase-MRP complexes and tRNA maturation. RMRP in mitochondria encodes the RNA component of RNase-MRP and is classified as snoRNAs, which are involved in several steps of ribosomal RNA synthesis.285 CHH fibroblasts exhibit reduced ribosome biogenesis.276,286

These findings imply that ribosome dysfunction is involved in the pathological process of blood diseases. Therefore, an in-depth exploration of the complex interactions between ribosome biogenesis and related signaling pathways will provide a new treatment for the diseases.

리보솜과 혈액 질환

골수 혈액 생성 세포의 빠른 재생으로 인해 리보솜 생합성이 이 과정에 관여합니다.261,262 따라서 혈액 시스템은 리보솜 기능 장애에 더 취약합니다. 일부 혈액 질환이 리보솜 기능 장애와 연관되어 있다는 것이 밝혀졌습니다.263,264,265

다이아몬드-블랙팬 빈혈(DBA)은 골수 내 적혈구 전구 세포의 수가 현저히 감소하거나 완전히 사라지는 골수 기능 장애 증후군으로, 악성 변환 위험이 증가합니다.266,267 연구 결과, 40S 소형 리보솜 서브유닛 조립에 관여하는 리보솜 단백질 S19(RPS19)의 변이가 DBA의 병인학과 밀접하게 연관되어 있음을 보여주었습니다. RPS19는 제브라피시에서 혈액 생성 분화에 필수적이며, 그 결손은 적혈구 생성 과정에서 비정상적인 세포 사멸을 유발합니다.268 DBA 마우스의 골수 세포에서 RPS19 cDNA 과발현은 세포 사멸을 감소시키고 적혈구 콜로니 형성을 증가시키며 골수 기능 장애를 완화합니다. 269 RPS19의 돌연변이는 p53을 활성화시켜 세포 노화를 유발하며, RPS19 돌연변이로 인한 적혈구 감소는 p53 결손으로 역전될 수 있습니다.270 또한 p53 결손 마우스에서 빈혈이 유의미하게 완화됨이 확인되었습니다.271 또한 RPS7, RPS24, RPL11, RPL5도 DBA와 밀접하게 연관되어 있음을 확인되었습니다. 272,273

Shwachman-Diamond 증후군(SDS)은 유전성 리보솜 장애로, 골수 기능 장애와 젊은 나이에 골수성 악성 종양의 높은 위험을 특징으로 합니다. 2003년 Boocock 등274은 Shwachman Bodian Diamond 증후군(SBDS) 유전자의 변이가 SDS 발병의 유전적 기반임을 보고했습니다. 이 단백질은 연장 인자 유사 GTPase 1(EFL1)의 보조인자로, 진핵생물의 번역 시작 인자 6(eIF6)을 큰 리보솜 서브유닛에서 제거하여 60S 서브유닛이 40S 리보솜 서브유닛과 결합해 활성 리보솜을 형성하도록 합니다. 275,276 특히 SBDS와 관련된 다른 유전자인 DNAJC21, EFL1, SRP54의 변이는 모두 SBDS와 함께 eIF6를 60S 서브유닛에서 제거하는 과정에 참여합니다.275,277 eIF6의 방출 실패는 SDS를 유발할 수 있습니다. 278 또한 SBDS는 설탕 농도 차이에 따라 분리된 전-60S 서브유닛과 함께 침전되었으며, 성숙한 60S 리보솜 서브유닛의 구성 요소로 28S rRNA에 결합했습니다.279 따라서 SBDS 유전자의 돌연변이는 리보솜 조립 장애를 초래합니다. SDS 세포에서는 rRNA 및 mRNA 처리와 관련된 많은 유전자의 이상 발현과 RPS9, RPS20, RPL6, RPL15, RPL22, RPL23, RPL29 등 세포 성장 및 생존에 관여하는 여러 리보솜 단백질 유전자의 발현 감소가 관찰되었습니다.280

X-연관 디스케라토시스 선천성(X-연관 DC)은 디스케린을编码하는 DKC1 유전자의 변이와 연관되어 있습니다.281 디스케린은 신합성된 rRNA의 특정 우라실 잔기에서 가짜 우라실화(pseudouridylation)를 촉매하는 효소입니다.264 가짜 우라실은 소핵소체 RNA(snoRNA)와 결합할 때 리보솜 및 rRNA 생성에 관여합니다. X-연관 DC 환자의 세포주에서는 snoRNA의 조절 이상과 rRNA 처리 결함이 관찰됩니다.276,282 또한 DC 환자에서 발견된 NPM1 돌연변이는 rRNA 2'-O-메틸화 변화로 이어집니다.283

연골 모발 저형성증(CHH)은 미토콘드리아 RNA 처리 엔도리보뉴클레아제(RMRP) 유전자의 RNA 성분 변이로 인한 상염색체 열성 질환입니다.284 RMRP는 RNase-MRP 복합체 형성과 tRNA 성숙에 참여하는 장쇄 비코딩 RNA(lncRNA)입니다. 미토콘드리아 내의 RMRP는 RNase-MRP의 RNA 성분을编码하며, 리보솜 RNA 합성의 여러 단계에 관여하는 snoRNA로 분류됩니다.285 CHH 섬유아세포는 리보솜 생합성이 감소됩니다.276,286

이러한 결과는 리보솜 기능 장애가 혈액 질환의 병리적 과정에 관여함을 시사합니다. 따라서 리보솜 생성과 관련된 신호 전달 경로 간의 복잡한 상호작용을 심층적으로 탐구하는 것은 해당 질환의 새로운 치료법을 제공할 것입니다.

Ribosome-targeted therapeutic strategies

Clinical trials have shown promise for ribosome-targeted therapeutic strategies, while the underlying mechanisms differ (Table 2).

Table 2 Clinical trials targeting cancer and ribosome biogenesis

Full size table

Several new rDNA transcription inhibitors are in early clinical studies, such as CX-3543, BMH-21, and CX-5461.287,288,289, CX-3543 binds to the G4 sequence and disrupting the interaction of the rDNA G4 structure with Ncl, thereby inhibiting RNA Pol I function and inducing apoptosis in cancer cells. BMH-21 inhibits Pol I function by interacting with the rDNA backbone in GC-rich DNA sequences and also promotes the degradation of the Pol I catalytic subunit RPA194.290 CX-5461 decreases the binding affinity of the RNA Pol I complex to rDNA promoters and activates P53-dependent anticancer signaling. Xu et al.291 have shown that CX-5461 is a G-quadruplex stabilizer that kills cancer cells. DNA repair requires the BRCA and NHEJ pathways, and failure to repair leads to cell death. These data reinforce strategies for rDNA G4-targeted therapy, especially for NHEJ-deficient cancers. CX-5461 is currently in Phase I clinical trial in patients with BRCA1/2-deficient cancer (Canadian Trial, NCT02719977).

Hilton et al. reported the results of phase I trial of CX-5461 in patients with solid tumors enriched for DNA-repair deficiencies.292 

The purpose of the trial was to determine the safety and best doses. They recruited 40 patients with solid malignant tumors who had previously failed treatment, including breast cancer (19 cases), ovarian cancer (seven cases), and pancreatic cancer (three cases). The recommended phase II dose of 475 mg/m2 days 1, 8, and 15 every 4 weeks were generally well tolerated. The efficacy of CX-5461 is long-lasting, and the pharmacokinetic eval‎uation of the trial shows that the drug can be administered once a week. In addition, the side effects and adverse reactions of CX-5461 are relatively few, and the most common adverse events are skin phototoxicity and nausea. In addition, there are a number of phase I clinical trials to eval‎uate the safety and tolerance of CX-5461 in the treatment of solid tumors (NCT04890613), and the efficacy of CX-5461 combined with tazopril in the treatment of castrated drug-resistant metastatic prostate cancer (NCT05425862). Although the antitumor regimen targeted by G4 DNA has been studied for many years, there are no drugs on the market, and only a handful of drugs have successfully entered clinical trials. Therefore, the performance of CX-5461 is particularly noteworthy.

In the future, we need to find an appropriate dose of ribosome biogenesis-based therapy that is efficient without causing severe side effects. Meanwhile, a more in-depth analysis of the mechanisms underlying drug resistance is needed to identify new therapeutic targets.

여러 새로운 rDNA 전사 억제제가 초기 임상 연구 단계에 있습니다. 예를 들어 CX-3543, BMH-21, CX-5461 등이 있습니다.287,288,289, CX-3543은 G4 서열에 결합하여 rDNA G4 구조와 Ncl 간의 상호작용을 방해함으로써 RNA Pol I 기능을 억제하고 암 세포에서 아포토시스를 유도합니다. BMH-21은 GC 풍부한 DNA 서열의 rDNA 백본과 상호작용하여 Pol I 기능을 억제하며, Pol I 촉매 서브유닛 RPA194의 분해를 촉진합니다.290 CX-5461은 RNA Pol I 복합체의 rDNA 프로모터 결합 친화성을 감소시키고 P53 의존성 항암 신호전달을 활성화합니다. Xu 등291은 CX-5461이 G-쿼드러플렉스 안정화제로서 암 세포를 사멸시킨다는 것을 보여주었습니다. DNA 복구는 BRCA 및 NHEJ 경로를 필요로 하며, 복구 실패는 세포 사멸로 이어집니다. 이 데이터는 특히 NHEJ 결핍 암에 대한 rDNA G4 표적 치료 전략을 강화합니다. CX-5461은 현재 BRCA1/2 결핍 암 환자를 대상으로 한 Phase I 임상 시험 중입니다(캐나다 임상 시험, NCT02719977).

Hilton 등292은 DNA 복구 결핍이 풍부한 고형 종양 환자를 대상으로 한 CX-5461의 Phase I 임상 시험 결과를 보고했습니다.

이 임상시험의 목적은 안전성과 최적 용량을 결정하는 것이었습니다. 이전 치료에 실패한 고형 악성 종양 환자 40명을 모집했으며, 이 중 유방암(19례), 난소암(7례), 췌장암(3례)이 포함되었습니다. 권장 Phase II 용량인 475 mg/m²를 1일, 8일, 15일에 4주 간격으로 투여한 결과 일반적으로 잘 견뎌졌습니다. CX-5461의 효능은 장기적이며, 임상시험의 약동학 평가 결과 약물을 주 1회 투여할 수 있음을 보여주었습니다. 또한 CX-5461의 부작용과 이상반응은 상대적으로 적으며, 가장 흔한 이상반응은 피부 광독성과 메스꺼움입니다. 또한 CX-5461의 안전성과 내약성을 평가하기 위한 고형 종양 치료를 대상으로 한 다수의 제1상 임상 시험(NCT04890613)이 진행 중이며, CX-5461과 타조프릴을 병용한 거세 저항성 전이성 전립선 암 치료의 효능을 평가하는 임상 시험(NCT05425862)도 진행 중입니다. G4 DNA를 표적으로 하는 항종양 요법은 수년간 연구되어 왔지만, 시판된 약물은 없으며 임상 시험에 성공적으로 진입한 약물은 극히 드뭅니다. 따라서 CX-5461의 성능은 특히 주목할 만합니다.

향후에는 심각한 부작용 없이 효율적인 리보솜 생합성 기반 치료법의 적절한 용량을 찾아야 합니다. 동시에 약물 저항성의 기전을 더 깊이 분석하여 새로운 치료 표적을 식별하는 것이 필요합니다.

Conclusions

The ribosome is an evolutionarily-conserved protein synthesis machine, and ribosome biogenesis ensures ribosome homeostasis.293 Ribosome biogenesis involves rDNA transcription, pre-rRNA cleavage, modification to form mature rRNA, RP synthesis and translocation into the nucleus, and rRNA assembly into large and small subunits; this is a complex and highly energy-intensive process.176 Therefore, different steps of ribosome biogenesis can be targeted to achieve the treatment of specific diseases. We reviewed the ribosome biogenesis and mechanisms in COVID-19, aging, the cardiovascular system, neurodegenerative disease, blood diseases, and cancer. This article aims to provide a new idea for scientists to understand how “ribosomal diseases” occur and provide a theoretical basis for developing a drug to treat such diseases.

Viruses utilize the translational machinery in host cells to achieve efficient replication. Recent researches suggest targeting ribosome biogenesis and functions is a potential new approach for controlling viral infection.294 CX-5461, a small-molecule drug that inhibits ribosome biogenesis, has exhibited good application prospects for malignant proliferative cancer accompanied by inhibited RNA pol I function.175 The SARS-CoV-2 5′UTR contains a SL1 hairpin that interact with Nsp1 to allow viral translation to proceed.103 Many scholars have found that the amino-terminal portion of Nsp1 is required for escape from Nsp1 inhibition.105,295 In order to shut down host translation, the virus maintains Nsp1 on the 40S subunit ribosome. After the viral translation is completed, the carboxy-terminal domain of Nsp1 folds back into the mRNA channel to prevent the translation of host mRNA.

We need to find a strategy to inhibit cancer precisely without affecting the function of normal cells by loading therapeutic drugs into cancer-specific targets. In addition, the implementation of precision medicine is a developing trend for the hierarchical management of different patients with different diseases, or even different patients with the same illness, based on ribosome biogenesis. It has been shown that genetic differences in ribosome occupancy can affect protein translation.296,297 A thorough understanding of the consequences of genetic differences among individuals is an important step toward personalized medicine. For the treatment of persons with a viral infection, the aim is to better understand the heterogeneity among individuals and determine who is most likely to benefit from a specific treatment.298 To achieve this goal, it is critical to develop biosensors to detect biomarkers such as viral molecules, ACE2 receptor, vitamin D levels, IgG, IgM antibodies, and C-reactive protein to help medical professionals to diagnose infection, determine the risk of infection, monitor immune response, and assess disease severity.299

Technological advances opened a new door to many aspects of ribosome biogenesis. Several new technologies, such as polysome profiling, ribosome-sequence, cryo-electron microscopy, and translating ribosome affinity purification, can accurately assess ribosome morphology, structure, translocation, ribosome-“frameshift”, ribosome-stalling, and ribosome-collision.300 For example, the abnormally expressed proteins in the plasma of patients with specific diseases can be found through ribosome-sequence technology, and the abundance of ribosomal proteins can be comprehensively monitored through Ribosome-Halo technology.301 These technologies not only explore the new mechanism of ribosome biogenesis and greatly expand the understanding of “ribosome diseases”, but also provide new targets for the precise diagnosis and treatment of such diseases.

Future direction

SARS-CoV-2 hijacks the host ribosome machinery to produce its proteins. This is achieved through the interaction between the viral Nsps and the host ribosome subunits. Nsp1 binds to the 40S subunit to block the entrance for host mRNA while allowing viral mRNA to pass through and get translated. The Nsps also inhibit host mRNA nuclear export and promote its degradation. Thus, drugs or vaccines targeting viral Nsps may be a useful strategy to tackle SARS-CoV-2 infection.302 The big question is how many booster shots we need to prevent infection. To answer this question, it is necessary to identify biomarkers that can predict the success of a vaccine. The titer of neutralizing antibodies may not be a reliable marker since both humoral and cellular immune responses are involved in virus killing.303,304

Ribosome inhibitors have been among the most successful antimicrobial drugs in the past. However, the pathogens have evolved to become resistant to most antibiotics. To overcome this problem, researchers have been trying to screen new compounds from natural products of cultivatable microorganisms. However, this approach often leads to the rediscovery of an old compound. The new generation of antibiotics will rely on the discovery of new synthetic scaffolds that are designed based on high-resolution ribosome structures.115,137 Ribosome protection proteins such as the ATP-binding cassette subfamily F(ATP-F) are responsible for the resistance to a wide array of antibiotics.305 Further research on the mechanisms underlying ATP-F-mediated ribosome protection will improve our understanding of antibiotic resistance and develop more efficient therapy.

References

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