江天晴，鄧詣群，文繼開

(華南農業(yè)大學 生命科學學院/廣東省農業(yè)生物蛋白質功能與調控重點實驗室, 廣東 廣州 510642)

細胞水平生物進化的一個明顯特征是從相對均勻的細胞質環(huán)境中發(fā)展出不同的細胞器結構，這些細胞器可以隔離生物大分子以提高特定生化過程的反應速率。真核細胞有2種細胞器，即膜結合的細胞器和無膜細胞器。無膜細胞器因缺失膜結構而更具靈活性，其蛋白質和核酸分子能夠根據細胞微環(huán)境的變化動態(tài)地進行組裝和解聚[1]。在受到外界環(huán)境刺激時，細胞通過一系列信號傳導途徑、改變基因表達等來快速抵抗壓力并維持穩(wěn)態(tài)，這個細胞重編程的過程被稱為細胞應激反應[2]。而無膜細胞器的動態(tài)特性使得其在快速響應細胞變化方面具有獨特的優(yōu)勢。如圖1所示，本文以4種無膜細胞器(應激顆粒、P-小體、核仁、卡哈爾體)為代表總結無膜細胞器的特點、在應激反應中發(fā)揮的作用、以及其與疾病的關系。

圖1 無膜細胞器和細胞應激反應的關系Fig. 1 The relationship between membraneless organelles and cellular stress response

1 無膜細胞器簡介

1.1 無膜細胞器的特點

在細胞水平生物進化過程中，真核細胞為了更好地實現對細胞組分、代謝過程和信號傳導的時空控制，細胞發(fā)生區(qū)室化形成了許多細胞器。真核細胞有2種細胞器，一種是膜結合細胞器(細胞核、溶酶體、內質網和突觸小泡等)，另一種是無膜細胞器(應激顆粒、P-小體、核仁、卡哈爾體等)[3]。膜結合細胞器的脂質雙分子層膜結構可以將特定的蛋白質、核酸和其他分子封閉在有限的空間內，這種現象使細胞器能夠更有效地發(fā)揮功能。這些蛋白質或核酸從細胞器中泄漏可能會導致嚴重的后果，例如，細胞色素 c 釋放到細胞質中導致細胞凋亡，而核酸釋放到細胞質中導致先天免疫途徑的激活[4-5]。相比之下，無膜細胞器沒有任何膜結構的限制，可以經常與周圍的細胞質交換各種分子物質。近幾十年來，多種新型無膜細胞器被發(fā)現，它們的結構與組成也逐漸被解析。然而，關于這些無膜結構的形成機制以及它們如何發(fā)揮生物學功能仍然有待解答，這也是近年來細胞生物學研究的熱點問題。

1.2 無膜細胞器的形成驅動力

液-液相分離 (Liquid-liquid phase separation，LLPS) 是聚合物化學中眾所周知的現象，在結晶試驗中經常觀察到此現象，液滴的形成降低了成核的自由能[6]。近年來，越來越多的證據表明，相分離可能是無膜細胞器形成的潛在機制[7]。細胞內蛋白質-蛋白質、蛋白質-RNA 和 RNA-RNA 間的相互作用以及內在無序區(qū)域(Intrinsically disordered regions，IDR)間的弱、瞬時、多價相互作用，包括ππ 相互作用、陽離子-陰離子相互作用、偶極-偶極相互作用和 π-陽離子相互作用，這些多價相互作用促使某些蛋白質和RNA相互聚集轉變?yōu)榫哂胁煌砘再|的另一相，從而形成無膜細胞器[8-9]。無膜細胞器表現出比周圍介質更高的蛋白質密度和更弱的分子運動，從而提高了生化反應的速率[7]。在大多數情況下，這些結構表現出液體特征，因此被描述為小體、顆粒、液滴等。

1.3 無膜細胞器的特性與應激響應的關系

無膜細胞器生理功能的探索一直是備受關注的研究方向，它在各種細胞生化過程中發(fā)揮作用，包括應激反應、基因表達的調節(jié)和信號轉導的控制等[10]。根據無膜細胞器的物理性質，推測其主要從4個方面發(fā)揮功能，包括調節(jié)生化反應的濃度、隔離有害成分、生物分子的儲存和信號放大[11]。這些無膜細胞器的形成可以幫助細胞快速響應環(huán)境信號，從而促進存活。盡管不同類型細胞中無膜細胞器的數量有所差異，細胞在感受到外界環(huán)境變化時，其轉錄和翻譯過程也會相應發(fā)生變化，而某些無膜細胞器的快速形成可以確保細胞中可溶性分子的濃度保持恒定，維持穩(wěn)態(tài)平衡。并且，某些細胞成分如蛋白質與mRNA可以暫時儲存在無膜細胞器中，更快地響應壓力。近年來，已有不少研究表明，無膜細胞器在細胞應激響應中發(fā)揮重要作用[12]。細胞質中的應激顆粒在細胞受到刺激時快速形成，而在壓力消失時解聚，被認為可以幫助細胞抵抗外部環(huán)境變化。而P-小體在一些細胞類型中是一直存在的，只是在受到壓力時顆粒的大小和數量都會有所增加，但其成分也會發(fā)生變化，在壓力解除時也會同應激顆粒一樣消失。核仁和卡哈爾體則是細胞核中的重要無膜細胞器，參與核糖體合成等，其在細胞受到刺激時也會發(fā)生相應變化，并且它們的功能維持也對細胞存活至關重要，但其與應激響應的具體聯系還需進一步探究。

2 應激顆粒與P-小體

2.1 壓力響應下的組裝機制

應激顆粒 (Stress granule，SG) 是最具特征的細胞質無膜細胞器之一，在受到氧化應激、熱應激、滲透壓力、病毒感染、蛋白酶體抑制、內質網應激、紫外線照射、缺氧、能量消耗等不同的刺激時形成[13]。刺激早期，細胞的整體翻譯受到抑制，mRNA 從多聚核糖體中解離并在核糖核蛋白(Ribonucleoprotein，RNP)復合物中積累。細胞質中RNP 的濃度增加，并且與一些 RNA 結合蛋白 (RNA-binding proteins，RBPs) 結合，例如激活 SH3 結構域結合蛋白 1 (Ras-GTPase activating SH3 domain-binding protein 1，G3BP1) 和 T 細胞內部抗原-1 (T-cell internal antigen-1，TIA-1) ，觸發(fā)了更多種蛋白質的募集，這些蛋白的共同特征在于其結構中存在IDR[14]。IDR介導蛋白質和 RNA 成分間的多價相互作用，其中，G3BP1 作為促進 RNA-蛋白質、蛋白質-蛋白質和RNA-RNA 相互作用的關鍵節(jié)點，最終促進 LLPS和 SG 形成。SG呈現高度動態(tài)的特征，在壓力恢復后快速解聚，釋放存儲的 mRNAs 使其再次進入翻譯過程[15]。不同條件下的SG組裝通過不同的相互作用。例如，在氧化應激中，G3BP1 和 G3BP2 通過自身相互作用和與caprin的相互作用誘導哺乳動物細胞的 SG 形成[16-17]。然而，在滲透壓力期間，G3BP1/2 和 caprin 并不是 SG 形成所必需的[18]。同樣，在葡萄糖饑餓期間，酵母中的 Gtr1、Rps1b 和Hgh1 促進 SG 的形成，但在熱休克期間卻抑制 SG的形成[19]。這表明顆粒可以根據特定的細胞條件進行不同的組裝，并且 SG 可能在不同的環(huán)境刺激下具有不同的功能。

壓力會觸發(fā)翻譯停滯誘導SG形成，其中的作用途徑主要分為2種：一種是真核翻譯起始因子2亞基α(Eukaryotic translation initiation factor 2 subunit alpha，eIF2α)的激酶響應不同刺激而磷酸化eIF2α，抑制翻譯；另一種是一些藥物以不依賴磷酸化eIF2α的方式誘導SG形成。eIF2α的激酶有4種：蛋白質激酶R(Double-stranded RNA-dependent protein kinase，PKR)，一種由病毒感染、熱和紫外線照射激活的雙鏈RNA依賴性激酶；蛋白激酶R樣內質網激酶 (Protein kinase R-like ER kinase,PERK)，一種駐留在內質網膜上的蛋白，當未折疊的蛋白質在內質網腔中積聚時被激活；一般性調控阻遏蛋白激酶2(General control nonderepressible 2，GCN2)，一種監(jiān)測細胞中氨基酸水平并對氨基酸剝奪作出反應的蛋白質；血紅素調節(jié)起始因子 2α 激酶(Heme-regulated initiation factor 2α kinase，HRI)，一種紅細胞成熟過程中確保珠蛋白鏈和血紅素的平衡并感知亞砷酸鹽產生的氧化應激的蛋白質。這些激酶會磷酸化 eIF2α，誘導SG形成[20-23]。然而，有些情況下SG的形成也與 eIF2α 磷酸化無關，例如Pateamine A 破壞 eIF4A 解旋酶和 H2O2破壞eIF4F 復合物，導致翻譯抑制，從而誘導 SG 的形成[24-25]。而在響應滲透壓力時，SG 核心蛋白由于分子擁擠作用而局部濃度升高，從而誘導 SG 形成[26]。

P-小體(Processing body，PB)是細胞質RNP顆粒，主要由一些與翻譯抑制和 5'→3' mRNA衰變相關的蛋白質和mRNA 組成[7]。這些 RNP 顆粒在真核生物中是保守的，和 SG 一樣，它們也依賴于蛋白質-RNA 相互作用、低復雜性蛋白質序列和LLPS形成。PB在某些細胞系中組成型存在，在應激誘導下，其大小和數量會增加。一些蛋白質的敲除會使組成型和應激誘導的 PB 減少，主要包括ATP 依賴性 RNA 解旋酶6 (ATP-dependent RNA helicase 6，DDX6)、蛋白質 LSM14 同源物 A(LSM14A) 和真核翻譯起始因子 4E 轉運蛋白(Eukaryotic translation initiation factor 4E transporter，EIF4ENIF1；也稱為 4E-T)[27-28]。SG 和 PB 共享一些蛋白質成分，它們可以相互接觸，并且都可以由細胞應激誘導[29]。而就 mRNAs而言，SG 含有閉環(huán)的多聚腺苷酸化的 mRNAs，而PB 含有去腺苷酸化的線性 mRNAs[30]。PB 是在研究與 5′→3′ mRNA 衰變途徑相關蛋白質的定位過程中發(fā)現的，最初假設其是 mRNA 衰變的細胞位點。然而，mRNA 衰變過程不需要 PB，并且 mRNA可以從 PB 中釋放出來重新進行翻譯[31-32]。因此，又有專家認為PB其實是翻譯停滯的 mRNA 和無活性 mRNA 衰變酶的儲存位點，是mRNA 衰變因子在無多核糖體轉錄本積累時所形成的結果[33-34]。但是，PB 在 mRNA 衰變中的功能仍然是一個懸而未決的問題。

2.2 在細胞抵抗壓力中的作用

2.2.1 mRNA分選 基因表達的轉錄后調控對于發(fā)育、分化、免疫信號和神經元可塑性至關重要。轉錄后，mRNA 還需經過加帽、剪接、多聚腺苷酸化、核輸出、與核糖體的結合和最終衰變，而這些都需要相應的 RNA 結合蛋白來協(xié)助完成。熱應激、氧化應激、缺血或病毒感染，會引發(fā)翻譯停滯，導致多聚核糖體快速解體[35]。從多聚核糖體中釋放出來的 mRNA 在許多蛋白質的幫助下進行分流，該過程決定了 mRNA 的命運。細胞質 SG 是這種分選過程的形態(tài)學結果[36]。有研究發(fā)現，SG和PB還含有RNA 誘導的沉默復合物 (RNA-induced silencing complexes，RISCs) ，表明這些 RNA 顆粒與microRNA (miRNA) 誘導的翻譯沉默途徑整合在一起[37-38]。

關于哪些特定的 mRNA 包含或不包含在 SG中，我們知之甚少。只有 50% 的細胞質 poly(A)RNA 被招募到 SG 中，這表明 SG 的 mRNA 具有一定選擇性[35]。編碼甘油醛-3-磷酸脫氫酶(Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH)、β-肌動蛋白(β-actin)、c-MYC、胰島素樣生長因子 II (Insulin-like growth factor II，IGF-II) 和H19 被募集到 SG 中，而編碼熱休克蛋白 70(HSP70) 和熱休克蛋白 90 (HSP90) 的 mRNA 基本被排除在外[39]。HSP90 和 HSP70的 mRNAs 在熱激時轉錄激活，與 SG 組裝同時進行，并且在這種刺激條件下都被優(yōu)先翻譯，而其他 mRNAs 則不然。MLN51 是參與剪接的重要蛋白，它位于 SG 中，而HSP70 的 mRNA 缺乏內含子，避免了剪接過程，也就不會因為與 MLN51 結合而被招募到 SG 中[40]。同時，HSP70 的 mRNA 擁有一個長且結構化的 5'非翻譯區(qū) (UTR)，不需要 eIF4F 依賴的 mRNA 掃描，因此eIF4F 失活促進 SG 組裝的過程并不影響HSP70 mRNA 的翻譯[41-42]。而且有研究采用綠色熒光蛋白 (Green fluorescent protein，GFP) 標記mRNA，發(fā)現其可以定位于 SG 和 PB中[43]。以上這些發(fā)現提示 SG 募集 mRNA 不是依靠序列特異性，而更可能是依據與該 mRNA 有關的蛋白組分。

PB的特征在于其含有參與 mRNA 衰變或沉默的蛋白質。典型的 mRNA 衰變開始于蛋白質脫帽復合物從 mRNA 的 5' 端去除帽，該復合物包含幾種定位于PB的蛋白質，即 mRNA 脫帽酶亞基 1A或 2(分別為 DCP1A 或 DCP2)、增強子mRNA 脫殼蛋白(EDC4，也稱為 Hedls)和DDX6。最近的研究認為，mRNAs 被招募到PB中取決于其翻譯程度，在PB中的mRNA 可以響應細胞環(huán)境變化重新進入翻譯階段[32,44]。而且，檢測 mRNA 衰變中間體的單分子研究表明，衰變發(fā)生在整個細胞，而不只是在PB中[45-46]。其次，對酵母脫帽突變體的研究表明，mRNA 衰變甚至可能在PB內受到抑制[47]。最后，在體外重建 LLPS 系統(tǒng)時發(fā)現，脫帽酶 DCP2的活性顯著降低，一般認為在凝聚的液滴環(huán)境中酶的活性會受到抑制，但是這種現象的具體機制還不清楚[48]。以上這些結果說明 PB 形成是mRNA衰變的結果，而不是 mRNA 衰變的介質[31]。 因此，在細胞響應環(huán)境刺激時，PB可以儲存翻譯停滯的 mRNA，來幫助細胞優(yōu)先考慮某些蛋白的翻譯或衰減。

2.2.2 信號傳導 除了作為 mRNA 分選中心外，SG還構成了以 RNA 為中心的信號樞紐[49]。許多信號蛋白被招募到 SG，但這個過程是短暫的，只持續(xù)到細胞適應壓力而存活或不適應壓力而死亡。作為信號中心，SG傳達一種“緊急狀態(tài)”，它們短暫存在，通過攔截和隔離信號成分來改變多個信號通路。在體外和體內試驗中，多價信號蛋白的濃度依賴性聚集促進了它們從可溶性到不混溶液態(tài)的分層相變[9]。因此，液相 RNA 顆粒中信號蛋白的隔離可以整合多個應激信號級聯反應來協(xié)調細胞對壓力的反應。

被招募到 SG 的信號蛋白和酶種類繁多，包括接頭/支架蛋白、蛋白質和脂質激酶、磷酸酶、核糖核酸酶、解旋酶、核糖基轉移酶、葡糖基轉移酶、GTP 酶、甲基轉移酶和泛素修飾酶等[49]。SG 通過隔離促凋亡因子如活化蛋白 C 激酶 1的受體(Receptor of activated protein C kinase 1，RACK1) 來抑制細胞凋亡[50]。同樣，最近的一項研究發(fā)現，SG通過招募 RNA 解旋酶 DDX3X 來抑制細胞焦亡，這是一種與炎癥相關的細胞死亡形式[51]。真核細胞中高度保守的 TORC1 蛋白激酶復合物，控制細胞生長和代謝[52]。在最佳生長條件下，來自生長因子受體和環(huán)境營養(yǎng)物質的信號使 TORC1 在液泡或溶酶體膜上發(fā)揮活性，促進蛋白質合成并抑制自噬。氨基酸剝奪使 TORC1 失活后從溶酶體膜中釋放出來[53]。失活的 TORC1 在應激誘導下聚集在 SG 中，酵母和人類細胞中的 SG 通過隔離 TORC1 和下游激酶來改變 TORC1 信號傳導，從而影響應激過程[54-55]。在從壓力中恢復期間，TORC1 隨著分解的SG 被釋放出來，又重新被激活。

許多信號分子也被發(fā)現與 PB 相關，包括對細胞生長調節(jié)很重要的幾種蛋白激酶和磷酸酶[56]。除了可能跟 SG 類似，將一些信號通路上的關鍵分子隔離，從而抑制信號傳導外，還可以通過保護信號分子免受蛋白降解的途徑來穩(wěn)定信號分子。PB 通常是由對蛋白質穩(wěn)態(tài)產生負面影響的外界刺激引起的。因此，未能與 PB 結合可能導致相關蛋白質的錯誤折疊和/或更新。釀酒酵母 Hrr25，是哺乳動物 CK1 的 δ/ε 同種型的酵母直系同源物[57]。這種蛋白激酶在核糖體成熟、囊泡運輸、DNA 修復、網格蛋白介導的內吞作用和減數分裂中具有保守作用[58-62]。 Hrr25 的激酶活性是其定位到 PB 所必需的，未能定位到 PB 會導致 Hrr25 以蛋白酶體依賴的方式降解[63]。在減數分裂早期，Hrr25與 PB 的結合能夠確保在隨后的2次減數分裂中使細胞存在臨界水平的 Hrr25[64]。與 PB 的結合不僅可以保護Hrr25 免受降解，還可能影響 Hrr25 底物的磷酸化，從而對細胞生理學產生重大影響。

2.2.3 抗病毒應激反應 SG 的形成在抗病毒防御和恢復細胞穩(wěn)態(tài)中起重要作用。SG 在功能層面上具有潛在的抗病毒作用，因為 SG 隔離和結合對病毒復制至關重要的細胞成分。例如，SG 通過結合與負鏈 RNA 互補的 3' 莖環(huán)來隔離 TIA-1 和 TIAR，這是病毒 RNA 復制所必需的[65]。任何病毒的有效復制都需要翻譯起始因子，因此 40S 亞基、 eIF4G、eIF4A、eIF4B 和 eIF3 的隔離會對病毒復制產生負面影響。此外，刺激小RNA病毒翻譯的內部核糖體進入位點(Internal ribosome entry site，IRES)的反式激活因子(如PTB、PCBP2和UNR)也被發(fā)現隔離在 SG 中[66]。PKR 在病毒誘導的 SG 形成中至關重要，其通過 eIF2α 磷酸化抑制病毒復制，并促進I型干擾素 (Interferon，IFN) 產生[67-68]。IFN 的誘導代表了抵御病原體的第1道防線，并且多個 IFN 信號分子也被招募到 SG 中，來調節(jié)它們的活性。因此，SG 的形成也是對病毒感染的先天免疫反應。

一些病毒在感染早期誘導SG 的形成，但在后期通過阻斷 eIF2α 的磷酸化或切割 SG 支架蛋白如G3BP1 來抑制 SG 的形成；而另一些病毒則通過將SG 蛋白轉變?yōu)榉堑湫皖w粒以促進病毒復制，例如HCV、RSV、輪狀病毒、哺乳動物正呼腸孤病毒(Mammalian orthoreovirus，MRV) 和小鼠肝炎冠狀病毒 (Mouse hepatitis virus，MHV)[67,69-76]。SG 的形成在病毒復制周期的不同階段或通過不同的信號通路被誘導或抑制，表明感染期間SG 與病毒在互相博弈。

P B組分還包括RISCs、miRNA相關的Argonaute (Ago) 蛋白、以及為 RISCs 發(fā)揮功能提供支架活性的 GW182 蛋白[77]。而且，在病毒感染期間，人們發(fā)現干擾素刺激基因(Interferon stimulated genes，ISG)也可以定位于 PB[78]。HIV-1 mRNA 與RISC 蛋白相互作用使病毒 mRNA 在 PB 上積聚，并且在破壞 PB 結構的情況下，可觀察到病毒的產量增多、感染性增強，這表明 PB 具有抗病毒感染的能力[79]。而某些研究發(fā)現，病毒也會反過來抑制 PB的形成。脊髓灰質炎病毒(Poliovirus，PV)是一種正鏈 RNA 病毒，病毒蛋白酶3C會降解 PB 的幾種成分，包括 Xrn1 和 DCP1A，但不影響其他成分，如GW182、Edc3 和 Edc4，在感染4h后細胞中的 PB被破壞[80]。輪狀病毒則是通過使用病毒 RNA 作為RNA 結合蛋白的海綿來分解 PB， 使 PB 中的Ago2、GW182 和 DCP1重新定位[81]。不僅如此，輪狀病毒的 NSP1 蛋白可以降解 PB的成分 Pan3，同時重新定位其他2種成分(Xrn1 和 DCP1A)[82]。還有研究指出輪狀病毒會干擾正常的 SG 和 PB 組裝，但會選擇性排除一些成分來促進非典型 SG-PB結構的形成，并似乎與病毒質(Viroplasm，VM)共同構成更復雜的超分子結構以促進病毒生長[83]。

3 核仁與卡哈爾體

3.1 功能特點

核仁的主要功能是快速產生大、小核糖體亞基，這個過程受到嚴格的調控以維持正常的細胞增殖和生長。 核仁內發(fā)生的3個主要事件，包括prerRNA 轉錄、加工和核糖體 RNP 組裝[84]。RNA 聚合酶 I負責rDNA 基因轉錄生成的47S 前核糖體RNA 轉錄物 (pre-rRNA) 的合成。pre-rRNA 由小核仁核糖核蛋白(snoRNP)加工和修飾，以生成 28S、18S 和 5.8S rRNA，它們與核糖體蛋白 (Ribosomal protein，RP) 組裝形成大、小核糖體亞基的前體，再分別輸出到細胞質并經過最后的加工步驟生成成熟的 40S 和 60S 核糖體亞基。上述核糖體生成過程中所涉及的分子，都集中在3個不同的亞核仁區(qū)室中，稱為原纖維中心 (Fibrillar center，FC)、致密原纖維成分 (Dense fibrillar component，DFC) 和顆粒成分 (Granular component，GC)。人們普遍認為，prerRNA 是在 FC 或 FC 和 DFC 之間的邊界從 rDNA轉錄的。 FC 富含 RNA Pol I 機制的成分，如 UBF，而 DFC 含有 pre-rRNA 加工因子，如 snoRNA、snoRNP 蛋白、原纖維蛋白和 Nop58。 FC 和 DFC被 GC 包圍進行前核糖體亞基組裝。核仁是通過LLPS形成的，具有液滴狀的移動特征[85]。由于沒有脂質膜的限制，核仁成分在核仁和核質間以及核仁內高速移動。

卡哈爾體(Cajal body，CB)是 Cajal 在哺乳動物神經元中發(fā)現的核結構[86]，集中了許多分子成分，包括前 mRNA、前 rRNA 加工所需的線圈蛋白、存活運動神經元 (Survival motor neuron，SMN) 蛋白、核仁蛋白原纖維蛋白、小核 (snRNPs) 和核仁核糖核蛋白 (snoRNPs)[87]。CB的主要結構成分是p80-coilin 蛋白，通常用作特征標記。CB 在物理和功能水平上都與核仁密切相關。CB 最初被稱為“核仁附屬體”，因其與神經元中的核仁密切相關。此外，CB 參與 snoRNPs 的成熟過程。一般來說，核仁和CB都參與了與細胞生長緊密相連的非多聚 (A) 尾 RNA 的產生，包括組蛋白 mRNA、CB中的 snRNA 和 snoRNA、以及核仁中的 rRNA。總之，這些發(fā)現都表明 CB 和核仁存在密切聯系。

3.2 壓力影響下的結構功能變化

各種刺激會破壞或重塑核仁組織，導致核仁功能受損，包括pre-rRNA 轉錄和加工。DNA 損傷會引起核仁分離[88]。病毒感染還可引起核仁形態(tài)大小的特定變化[89-90]?？焖僭鲋车膭游锛毎枰?rDNA基因的高轉錄率和3種 RNA 聚合酶的活性，以滿足細胞對核糖體的需求。在影響細胞周期進程/細胞內能量狀態(tài)的刺激條件下，核糖體亞基生物合成的改變是一種可以保持細胞能量穩(wěn)態(tài)的策略。調節(jié)核糖體合成以響應細胞外條件的關鍵參與者是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin，mTOR)，它通過調節(jié) TIF-1A、SL1 和UBF 的定位和活性來促進pre-rRNA 合成，以及RPs 的翻譯[91]。而1 型單純皰疹病毒 (HSV-1)感染則會影響 rRNA 加工，與pre-rRNA 合成無關[92]。

越來越多的證據表明，核仁可以作為壓力感應細胞器來選擇性地激活轉錄因子 p53。核仁改變會導致核仁成分從核仁快速重新分布到核質，反之亦然。這種重新分布的蛋白質對抑制 MDM2(也稱為HDM2，E3 泛素連接酶，用于在穩(wěn)態(tài)下降解 p53) 起著至關重要的作用，而這一個過程有助于p53 的穩(wěn)定。NPM1(也稱為核磷蛋白或 B23)從核仁到核質的易位是核仁應激的標志之一，NPM1 通過與MDM2互作直接抑制 MDM2。研究表明，核仁中的氧化是各種應激條件下的常見現象，會導致 NPM1的 S-谷胱甘肽化，而這是 NPM1 易位所必需的[93]。此外，有報道稱由核仁的重要組分RPL5 (uL18)、RPL11 (uL5) 和 5S rRNA 組成的 5S RNP 復合物直接與 MDM2 結合以在壓力下穩(wěn)定 p53[94-96]。

在一些刺激情況下(熱應激、DNA 損傷、生理性酸中毒和蛋白酶體抑制)，核質和細胞溶質蛋白會被隔離到核仁中[97]。這些被限制在核仁的蛋白質包括參與應激反應、DNA 修復、細胞周期進程和蛋白質折疊的酶。例如，E3 泛素連接酶的隔離可防止其底物降解。許多核仁靶向蛋白含有攜帶正電荷的核仁定位信號，這對攜帶負電荷的核仁 RNA 或幾種核仁中樞蛋白的相互作用很重要[98-99]。 未折疊或錯誤折疊的蛋白質和 HSP(例如 HSP70) 在某些刺激條件下進入核仁[100-101]。未折疊蛋白質被限制在核仁中，流動性減慢，便于在恢復期間被HSP 伴侶重新折疊或降解。然而長時間的壓力會導致核仁區(qū)室的液相轉變?yōu)楣滔?，引發(fā)不可逆的淀粉樣蛋白生成和核蛋白穩(wěn)態(tài)的失調。

卡哈爾體的結構也會因不同類型的刺激而改變，例如UV照射、熱應激、轉錄抑制、滲透壓力、饑餓和病毒感染。營養(yǎng)剝奪導致卡哈爾體數量減少[102]，而 UV照射可逆地破壞卡哈爾體，線圈蛋白會重新分布[103]。在 HSV-1 感染的細胞中，ICP0(病毒蛋白感染的細胞蛋白 0)的表達誘導著絲粒的不穩(wěn)定以及隨后線圈蛋白、SMN 和原纖維蛋白向受損著絲粒的重新分布[104]。而腺病毒誘導線圈蛋白和其他卡哈爾體成分向病毒復制中心外圍募集，參與晚期病毒轉錄物的加工[105]。泛素蛋白酶體系統(tǒng)的功能障礙導致錯誤折疊的蛋白質聚集體的積累，從而引起毒性反應。在用硼替佐米(蛋白酶體抑制劑)處理后，作為對蛋白毒性應激的補償反應，神經元中核仁的數量和大小，以及CB的數量都有所增加，這2種細胞器產生 snRNA、snoRNA 和 rRNA的協(xié)調活性可能有助于蛋白酶體抑制后的神經元存活[106]。

4 無膜細胞器與疾病的關系

因高流動性的物理特性，無膜細胞器具有快速適應細胞外部環(huán)境變化的能力，其中 SG 和 PB 在壓力期間參與翻譯調控、信號傳導，抗病毒感染等過程。因此，這些顆粒的功能異常似乎會影響細胞正常生理活動從而導致疾病。目前，SG與疾病的關系已有不少研究報道，通常認為SG會促進疾病進展，或者它們的異常形成與疾病有關。

4.1 SG與腫瘤的關系

在面對缺氧、營養(yǎng)缺乏、活性氧和高滲透壓等諸多不利條件時，腫瘤細胞可能會促進SG的生成，選擇性地進行 mRNA 翻譯，從而調節(jié)細胞信號傳導途徑、代謝和應激反應，促進自身存活[107]。例如，在肝癌細胞中，PI3K 和 MAPK/p38信號通路被激活后，mTOR活化導致下游效應激酶S6K1磷酸化eIF2α從而促進SG的形成，并且另一亞型S6K2參與SG的維持，從而促進肝癌的發(fā)展[108-109]。癌癥治療中常用的化療藥物，如硼替佐米、順鉑或依托泊苷，可能會刺激腫瘤細胞產生依賴于 eIF2α 磷酸化的 SG，從而抵抗藥物的作用[110-111]。抗代謝藥物5-氟尿嘧啶(5-Fu)廣泛用于治療實體瘤，但腫瘤通常在治療后期對 5-Fu 產生耐藥性。有研究指出在5-Fu 誘導癌細胞 SG產生的過程中，RACK1被限制在SG中，抑制 MTK1-SAPK 及下游腫瘤凋亡信號通路，導致 5-Fu 的作用減弱[112]。對人肉瘤細胞SG的研究表明，G3BP1與Y-box結合蛋白(YB-1)相互作用，共同促進SG的產生；同時，G3BP1 和YB-1 的表達增強提示腫瘤患者的預后較差[113]。因此，SG或許有希望成為一種新型的癌癥治療靶點，可能通過抑制SG的形成來降低腫瘤的發(fā)生率、提高抗腫瘤藥物的療效、降低癌癥患者的死亡率。

4.2 SG與心血管疾病的關系

一項臨床研究表明，在先天性擴張型心肌病患者的重編程心肌細胞中發(fā)現了人類 RNA 結合基序蛋白 20 (RNA-binding motif protein 20，RBM20) 致病性的R636S等位基因突變，并且含有RBM20 變體的 mRNP 顆粒在患者心肌細胞的肌漿中異常積聚，表現出液體狀特性，促進心臟生物大分子相分離并與SG融合[114]。這種慢性病可能引起細胞內蛋白翻譯異常、RBP失調和SG的持續(xù)存在，從而促進心血管疾病的發(fā)展。

4.3 SG與神經退行性疾病的關系

伴隨著腦老化、缺血、腦外傷等繼發(fā)性神經炎癥等因素引起的慢性腦病，老年人的神經系統(tǒng)易發(fā)生慢性應激，而慢性應激的發(fā)生又與神經退行性疾病密切相關。腦衰老、腦缺血、腦損傷和神經炎癥，可能會誘導神經元中 SG 的產生。體外研究結果表明，在病理條件下，SG從液體轉變?yōu)轲ば?固體淀粉樣蛋白并引起 tau 沉積，從而促進神經退行性疾病[115]。當危機消除時，SG 也通過自噬被消除并恢復正常的翻譯過程。然而，在持續(xù)的刺激下，C9orf72突變導致 SG 自噬途徑被阻斷，并促進TDP-43 在細胞質的積累，導致肌萎縮側索硬化癥(Amyotrophic lateral sclerosis，ALS)和額顳葉癡呆(Frontotemporal dementia，FTD)[116-117]。此外，蛋白質精氨酸甲基轉移酶 5 在 R218 處對 FUS 精氨酸的甲基化是維持 SG 清除機制的先決條件。在急性應激期間，DJ-1(蛋白質/核酸脫糖酶) 能夠與 SG 結合，共同調節(jié) RNA 代謝和分流，發(fā)揮神經保護作用[118]。然而，在慢性應激條件下，DJ-1 突變促進了SG 轉化為病理性 SG，促進了帕金森病(Parkinson’s disease，PD)的發(fā)生。

5 總結與展望

細胞內無膜細胞器可能會誘導一些適應性和可逆反應，這些反應對細胞外環(huán)境的變化非常敏感，包括轉錄或翻譯過程的改變。此外，無膜細胞器通過隔離分子和提高生物分子局部濃度來控制內源性細胞活動，從而影響多種生物過程，例如酶促反應或信號轉導。當細胞面臨外界刺激時，適應環(huán)境維持體內平衡至關重要。壓力會導致翻譯的全局抑制，從而觸發(fā) SG和 PB 的形成，它們是 RNA和蛋白質的瞬時細胞質無膜區(qū)室，沒有膜結構限制和相分離的形成特點賦予了其快速響應環(huán)境壓力而維持細胞穩(wěn)態(tài)的能力。值得關注的是，最近有研究發(fā)現，擬南芥中的2個新應激顆粒蛋白質組分，RBGD2(RNA-binding glycine-rich group D2)和RBGD4通過酪氨酸陣列(Tyr residue array,TRA)形式誘導蛋白液-液相分離，進而增強了擬南芥的耐熱性[119]。由此可見，應激顆粒是真核細胞響應各種刺激的一種保守機制。而核仁和卡哈爾體是細胞核中重要的無膜細胞器，參與協(xié)調增殖細胞中的主要 RNA 蛋白組裝和修飾過程。核仁和卡哈爾體似乎都是由細胞應激反應激活的信號通路的主要目標，這2個細胞器的組織、大小和蛋白質含量在刺激下發(fā)生一系列復雜的變化。但關于無膜細胞器在應激反應中的功能和作用仍然存在許多懸而未決的問題。破譯無膜細胞器的存在如何改變細胞乃至個體的生物學過程，可能會進一步闡明這些RNA 顆粒的特性，以及它們在細胞穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮的作用。因此，揭示蛋白質-蛋白質相互作用網絡的動力學和刺激下關鍵成核蛋白的翻譯后修飾變化可能是未來研究方向的重點。而針對這些無膜細胞器的生理功能研究有可能為相關疾病的發(fā)病機制和防治提供新的見解。