RIG-I配体通过RIG-I和OAS1/RNase L分别介导的“启动”和“效应”过程诱导肿瘤细胞凋亡

2021-08-02 17:30

该研究揭示了3p-RNA通过促进细胞因子释放和诱导细胞凋亡这两个独立的途径来导致肿瘤细胞死亡。

先天免疫系统是机体抵御病原体入侵的第一道防线。当受到病原体侵袭时，视黄酸诱导基因蛋白-I(RIG-I)样受体(RLR)接收胞质中的双链RNA信号，促进I型干扰素(IFN-I)和促炎细胞因子的产生以募集并激活邻近的免疫细胞，同时诱导受感染的细胞发生凋亡，防止胞内病原体进行复制。

RIG-I的激活除了抵御外源病原体，研究还发现RIG-I激动剂在一定程度上能够特异性地诱导肿瘤细胞发生凋亡。其中，RIG-I激动剂NCT03739138治疗实体瘤的研究已进入1期临床试验。然而，目前还没有完全明确RIG-I激动剂诱导肿瘤细胞凋亡的具体分子机制。

Schematic representation of the proposed mechanism of MCL-1 depletion in response to RNase L activation.

近日，来自慕尼黑大学的Lars M. Koenig团队完善了RIG-I配体诱导肿瘤细胞凋亡的具体分子机制。研究人员发现RIG-I特异性配体5'-三磷酸RNA(3p-RNA)通过促进细胞因子释放和诱导细胞凋亡这两个独立的途径来杀死肿瘤细胞。 3p-RNA与RLR的结合促进细胞因子的产生并启动IFN-I介导的效应通路，但不会通过RIG-I直接触发细胞凋亡。

后续研究表明， 3p-RNA激活OAS1/RNase L通路来触发BAX/BAK依赖性的细胞凋亡。 RNase L对蛋白质翻译的抑制作用和NOXA表达水平的上调共同促进MCL-1耗竭和细胞凋亡。该研究结果发表在国际期刊《Science Immunology》，题目为 OAS1/RNase L executes RIG-I ligand-dependent tumor cell apoptosis。

RIG-I配体通过RIG-I非依赖性的、IFN-I激活的机制来诱导肿瘤细胞死亡

RIG-I ligands execute tumor cell death by an RIG-I-independent, IFN-I-primed mechanism.

为了探讨RIG-I对RIG-I配体诱导的肿瘤细胞死亡的影响，作者首先 利用CRISPR-Cas9剪除人黑色素瘤细胞1205Lu中表达RIG-I、MDA5以及MAVS蛋白的基因(即DDX58、IFIH1和MAVS)。 在3p-RNA的刺激下，经基因剪切的DDX58^-/-和MAVS^-/-细胞不会释放细胞因子和发生细胞死亡。

当与野生型(WT)细胞共同孵育时，DDX58^-/-细胞不能抵御3p-RNA的刺激而发生细胞死亡。这意味着RIG-I激活的WT细胞可能释放某些因子修复DDX58^-/-细胞对3p-RNA刺激的敏感性。 进一步实验发现，IFN-I是上述因子之一，在DDX58^-/-和MAVS^-/-细胞的激活过程中发挥着必不可少作用。 由此可推， RIG-I不是直接介导RIG-I配体诱导的肿瘤细胞死亡过程，而是通过促进IFN-I的产生来触发细胞死亡。

3p-RNA特异性结合OAS1并激活潜在的内切核糖核酸酶

3p-RNA specifically binds OAS1 and activates RNase L.

接下来， 作者往DDX58^-/-细胞中加入3p-RNA和IFN-α，采用转录组测序技术分析3p-RNA刺激的下游通路。 研究结果表明，单一加入3p-RNA不会改变DDX58^-/-细胞的基因表达，而与IFN-α联合使用时却能显著改变6000多个基因的表达。

对IFN-α上调的RNA结合蛋白基因进行分析，作者从受影响最为明显的基因中，发现多种编码RNA传感器的基因。这些RNA传感器直接作用于外源核酸来介导抗病毒防御，包括PKR、OAS1~OAS3等。其中， OAS1对3p-RNA显示出最强的亲和力，被激活后，合成第二信使2'-5'寡腺苷酸(2-5A)来激活内切核糖核酸酶RNase L，最终促进RNase L介导的RNA降解过程。

OAS1/RNase L通路介导3p-RNA诱导的内源性细胞凋亡

The OAS/RNase L system mediates the effector phase of apoptosis induction by 3p-RNA.

在缺乏 RNase L 的 WT 和DDX58^-/-细胞中，可以看到胞内 RNA 降解过程受抑，细胞死亡率显著降低。与此同时， 上调或下调OAS1的表达水平显著促进或抑制3p-RNA诱导的细胞死亡。

因此， OAS1/RNase L通路的激活对3p-RNA诱导的细胞死亡至关重要。后续研究表明， 3p-RNA介导的细胞死亡途径主要是BAX/BAK依赖性的细胞凋亡。

RNase L对蛋白质翻译的抑制作用和NOXA表达水平的上调共同促进MCL-1 耗竭和细胞凋亡

RNase L-dependent translational arrest facilitates NOXA-mediated MCL-1 depletion.

最后，作者更深入地探讨了 RNase L 触发细胞凋亡的具体分子机制。 剪除编码RNase L的基因后，1205Lu细胞不会再因3p-RNA而出现蛋白质翻译过程受抑的现象。 使用放线菌酮 (CHX) 抑制 RNase L 依赖性的蛋白质翻译停滞的同时，联合 MCL-1(BCL-2 家族的抗凋亡蛋白成员之一)抑制剂能够在 24 小时内触发黑色素瘤细胞的凋亡。

同样地，仅仅激活 NOXA 并不足以触发细胞凋亡，只有在 CHX 的协助下，才能达到预期效果。由此可见， RNase L 依赖性的蛋白质翻译停滞促进NOXA介导的MCL-1消耗，从而触发细胞凋亡。

总之，该研究揭示了3p-RNA通过促进细胞因子释放和诱导细胞凋亡这两个独立的途径来导致肿瘤细胞死亡。 RLR 信号传导促进细胞因子的产生以及 IFN-I 介导的效应通路启动，同时由 OAS/RNase L 通路执行肿瘤细胞凋亡的步骤。该研究结果完善了 RIG-I 激动剂诱导肿瘤细胞凋亡的具体分子机制，有望为诱导免疫原性细胞死亡的新型抗癌药物开发提供新思路。