Cell | 都知道 DNA 损伤修复，那细胞是如何应对 RNA 损伤的呢? | 综述

Basic Information

• 英文标题：Cellular responses to RNA damage
• 中文标题：细胞对RNA损伤的响应
• 发表日期：20 February 2025
• 文章类型：Review
• 所属期刊：Cell
• 文章作者：Jacqueline Cordes | Julian Stingele
• 文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867425000340

Summary

Para_01

1. RNA 在蛋白质生物合成中起着核心作用，并执行多种调控和催化功能，使其成为生命所有过程中的关键因素。
2. 像DNA一样，RNA也不断受到内源性和环境性来源的损伤。
3. 然而，虽然已经对DNA损伤反应进行了广泛研究，但长期以来认为RNA损伤相对无关紧要，因为大多数RNA分子是短暂存在的。
4. 在这里，我们回顾了最近的研究，这些研究挑战了这一观点，揭示了复杂的RNA损伤反应，这些反应决定了细胞暴露于核酸损伤剂时的存活情况，并促进了RNA损伤的解决。

Introduction

Para_01

1. DNA和RNA沿着分子生物学的中心法则编码并传递遗传信息，这不仅使蛋白质合成成为可能，还使非编码RNA的催化和调控功能得以实现。
2. 细胞如何应对DNA完整性受到基因毒性剂如紫外线照射挑战的情况已经被研究了几十年。
3. 因此，我们对协调DNA修复、细胞周期进程和细胞生存的细胞DNA损伤反应（DDR）有了详细的了解。
4. 然而，大多数DNA损伤来源具有多效性，也会影响RNA。
5. 尽管如此，由于认为受损的RNA对细胞完整性构成的挑战微不足道，因为RNA可以简单地被降解和重新合成，因此RNA损伤的后果在很大程度上被忽视了。
6. 最近的几项研究表明，mRNA损伤会诱导依赖于翻译的信号级联，这些信号级联主导了暴露于"导致DNA损伤"的试剂后细胞的即时反应。
7. 持久的RNA损伤诱导的信号的后果是严重的，范围从炎症和细胞死亡到全基因组加倍（WGD）事件。
8. 此外，发现了一条专门用于解决mRNA交联损伤的途径，并且鉴定出一种哺乳动物RNA修复连接酶，这些都证明细胞拥有检测和解决特定RNA损伤的机制。

Para_02

1. 在这里，我们回顾了人类细胞中RNA损伤的协调性细胞反应的新证据，并检查了它与DNA损伤修复通路的串扰。
2. 我们提出了RNA损伤反应的两个关键作用：首先，在面对严重的急性核酸损伤时，RNA损伤反应对于通过解决受损的RNA分子来确保受损细胞的暂时功能至关重要；其次，检测RNA损伤作为对并发DNA损伤的哨兵。

Sources of RNA damage

Para_01

1. DNA和RNA都容易受到化学修饰的影响，无论是它们的核碱基还是糖磷酸主链。
2. 重要的是，由于RNA主要是单链结构，因此通常比DNA更容易受损，而DNA则通过碱基配对和染色质化得到保护（图1）。
3. 此外，细胞质中的RNA暴露在相对更氧化的细胞质环境中，与更还原性的核质不同。
4. 在细胞质中，RNA还面临着来自线粒体泄漏的活性氧（ROS）以及其他从环境中进入细胞的反应性物质的进一步损伤风险（图1）。

图片说明

◉ RNA 化学多样性 RNA 易受环境和内源性损伤的影响，并且缺乏核隔离、碱基配对和染色质化所提供的三重保护。而DNA具有这三种保护。◉ 尽管 RNA 也会被 RNA 结合蛋白（RBPs）结合，但由于涉及的相互作用是动态的，因此提供的保护可能不那么显著。

Para_01

1. 核苷碱基、磷酸二酯骨架和核糖部分的2′-羟基的氧化和烷基化会损害RNA（图1）。
2. 最常见的氧化RNA损伤是8-氧代鸟嘌呤（8-氧代G），但其他核苷碱基修饰和脱碱基位点也经常发生。
3. 烷基化剂如用于治疗几种脑癌的化疗药物替莫唑胺会导致不同类型的RNA损伤，例如N1-甲基腺苷（m1A）和O6-甲基鸟苷（m6G）。
4. 此外，紫外线照射会导致多种光损伤，包括尿嘧啶光产物以及共价RNA-RNA和RNA-蛋白质交联。
5. 这种交联也由代谢双功能交联剂如甲醛或乙醛引起（图1）。
6. 甲醛在一碳代谢过程中大量产生，并且是各种细胞去甲基反应的后果。
7. 乙醛是在饮酒后在肝脏中产生的，是乙醇毒性的主要原因。
8. 还有许多其他与RNA损伤相关的来源，包括化疗药物、烟草烟雾和环境污染，会产生化学多样性损伤。
9. RNA完整性进一步受到受损核糖核苷酸的挑战。
10. 例如，三磷酸腺苷自发脱氨基导致形成三磷酸肌苷（ITP）。
11. 为了去除ITP，ITP焦磷酸酶（ITPase）将其水解为肌苷单磷酸。
12. 在患有婴儿多系统疾病的患者中，由于编码ITPase的基因发生种系突变，这种核苷酸池的净化受到损害。
13. 如果ITPase有缺陷，ITP就会积累，导致其被掺入RNA。
14. 在翻译过程中，mRNA中的肌苷很可能被解码为鸟嘌呤，从而导致错义和无义改变。
15. 这种忠实翻译的阻碍可能解释了受影响个体观察到的严重病理。
16. 除了脱氨基外，核苷酸池也可以通过氧化而受损。
17. 这可以通过核苷酸池净化酶MTH1来对抗，它将8-氧代GTP水解以防止其掺入RNA。
18. 如果净化失败或者RNA被其他来源损坏，对细胞的后果可能是严重的。

Consequences of RNA damage

Para_01

1. RNA损伤影响RNA分子生命周期的几乎每一个步骤，从转录和剪接，到翻译和转录后基因调控（图2）。
2. 转录保真度因核苷酸池的氧化损伤而受损，这会导致RNA聚合酶将8-氧鸟苷三磷酸掺入新生的RNA中。
3. 转录后，选择剪接位点和在剪接过程中去除内含子依赖于小核糖核蛋白（snRNPs）内的snRNA之间正确的碱基配对。
4. 因此，影响碱基配对的RNA损伤会损害剪接保真度，导致紫外线照射后的剪接缺陷和内含子保留。
5. 类似地，依赖于精确碱基配对的其他短非编码RNA的功能，包括微小RNA（miRNAs）、小干扰RNA（siRNAs）和Piwi相互作用RNA（piRNAs），也可能被RNA损伤所扰乱。
6. RNA损伤还会影响核糖体RNA（rRNA）的加工以及核糖体的组装、成熟和功能。
7. rRNA的氧化损伤影响细菌中的蛋白质合成，并且在真核生物中扰乱rRNA的加工。
8. 某些基于铂的化疗药物会阻止人类细胞中核糖体的高效生物发生。
9. rRNA的完整性还可以受到化疗核苷酸类似物的影响，这些物质在掺入rRNA后引起损伤，最终导致错误核糖体的降解。
10. 翻译本身也受到RNA损伤的影响，因为它依赖于rRNA的催化和结构功能，以及氨基酸-tRNA与mRNA之间正确碱基配对的建立。
11. 密码子中第一或第二个位置上的m6G的存在会降低tRNA选择的准确性，最终导致错码。
12. 此外，氧化或烷基化的mRNA的翻译会使细菌和真核生物中的核糖体停滞。
13. 同样，编码区内的mRNA-蛋白质交联（mRPCs）等庞大的RNA损伤会在翻译过程中使核糖体停滞，从而造成翻译压力。
14. 这些严重后果需要快速有效的细胞反应来应对RNA损伤。

图片说明

◉ RNA损伤的后果 RNA损伤影响RNA分子生命周期的所有阶段。◉ RNA聚合酶错误掺入受损核苷酸或新生RNA损伤干扰有效的剪接（顶部）。◉ 受损mRNA碱基与tRNA的错配可导致氨基酸错误掺入和随后的蛋白质稳态缺陷（中部）。◉ mRNA损伤阻碍翻译核糖体的进程（底部）。

Responses to RNA damage

Para_01

1. RNA损伤的多样性使得细胞难以感知特定的损伤。
2. 核酸损伤感应的一个总体主题是检测停滞的分子机器作为替代方案。
3. DNA损伤通过复制和转录偶联途径被检测和解决，当DNA和RNA聚合酶分别在DNA损伤处停滞时，这些途径被启动。
4. 这种停滞不仅促进修复，还可能导致DNA和RNA合成的局部和全球性停顿。
5. 对于检测停滞延伸核糖体的RNA损伤，相应的原则已经出现。
6. 核糖体停滞以及随后与后续核糖体的碰撞引发了一个快速信号响应，关闭了蛋白质合成，并提醒细胞存在RNA损伤。
7. 因此，由于RNA损伤对mRNA翻译的有害后果，可以检测到RNA损伤。

Para_02

1. 核糖体毒性应激反应（RSR）和整合应激反应（ISR）作为两种主要的RNA损伤反应途径，在核糖体碰撞时被激活，调控细胞周期进程、促炎通路的激活以及细胞死亡的诱导。
2. RSR最初被识别为一种由某些核糖毒素（如毒葛毒素或刺孢霉素）和蛋白质合成抑制剂（如安丝菌素）触发的与翻译耦合的应激反应途径。
3. 后续工作发现紫外线照射是RSR的一个强效诱导剂，暗示RNA损伤是激活的一种来源。
4. RSR是一种由核糖体相关MAP3K ZAKα启动的MAP激酶信号级联反应。
5. 当核糖体在由紫外线、一氧化氮、活性氧或代谢醛诱导的mRNA损伤处停滞和碰撞时，ZAKα被激活。
6. ZAKα的激活最终导致应激激活蛋白激酶（SAPKs）JNK和p38的磷酸化。
7. SAPKs通过抑制依赖于周期素的激酶（CDKs）来阻止细胞周期进程。
8. 在响应紫外线照射时，p38可以通过磷酸化MAPK活化蛋白激酶-2（MK-2）并通过随后的磷酸化和抑制CDC25B来引发G2期阻滞。
9. 抑制CDC25B被证明可以阻止周期素A/CDK2的激活，所有这些都是独立于经典的DDR发生的。
10. 此外，SAPKs可以通过稳定CDK抑制剂p21来介导细胞周期阻滞。
11. 因此，未能解决停滞的核糖体将导致持续的G2期阻滞。
12. 值得注意的是，连续的ZAKα介导的p38激活和随后对周期素A/CDK1和CDK4/6的抑制可导致APC/CCdh1的过早再激活，驱动细胞进入G2期退出和随后的有丝分裂旁路。
13. 这将导致没有先前细胞分裂的新一轮DNA复制，从而引起内源性复制。
14. 除p38/MK2介导的细胞周期检查点调节外，ZAKα还可以通过启动p38依赖的焦亡或JNK依赖的凋亡来诱导细胞死亡。
15. 所有这些都在上述段落中描述。

图片说明

◉ 图3。信号响应对RNA和DNA损伤的反应（A）mRNA损伤导致核糖体碰撞，进而激活MAP3K ZAKα，触发核糖毒性压力反应。◉ ZAKα激活下游，MAP激酶p38和JNK触发各种细胞命运决定，从细胞周期停滞到细胞死亡。◉ （B）RNA损伤引起的核糖体碰撞激活激酶GCN2，在碰撞感应蛋白GCN1的下游。◉ GCN2磷酸化eIF2α，从而触发整合应激反应，这包括全局翻译关闭和同时表达特定的应激反应基因。◉ （C）DNA中的损伤激活DNA损伤反应激酶。◉ ATR由ssDNA激活，ssDNA被ATR相互作用伙伴ATRIP感知。◉ ATM可以由MRN复合物激活，MRN复合物感知DNA双链断裂。◉ ATR和ATM分别激活CHK1和CHK2，促进DNA修复、细胞周期停滞，并可能诱导衰老。◉ （D）RNA或DNA损伤反应的相对重要性取决于损伤的程度。◉ 在急性且高剂量的核酸损伤期间，翻译核糖体快速感知RNA损伤，激活RNA损伤反应。◉ 在慢性且低剂量的核酸损伤期间，DNA损伤反应占主导地位，促进DNA修复或诱导衰老，以防止未修复DNA损伤的细胞增殖。

Para_02

1. ISR与RSR协同作用，并且在核糖体碰撞（图3B）时由GCN2激活。4,60,61
2. 除了GCN2之外，还有三种其他激酶可以在响应不同类型的压力因子时启动ISR。62
3. HRI在血红素剥夺和线粒体损伤时激活ISR，而PERK则在细胞经历内质网压力时激活ISR。
4. PKR通过检测双链RNA（dsRNA）来激活ISR，这种RNA可能由于新生RNA的紫外线诱导损伤而产生。30
5. 这四种激酶通过磷酸化翻译起始因子eIF2的α亚基（eIF2α）来诱导ISR。
6. 结果，全球翻译停止，而ISR转录因子如ATF4的翻译通过抑制性uORF的去抑制而被诱导，引导基因表达向应激反应基因倾斜。63,64,65
7. GCN2不仅在饥饿期间通过感应未携带的tRNA来磷酸化eIF2α，66,67而且在mRNA损伤诱导时也会如此。4,12,68
8. 像ZAKα一样，GCN2在mRNA损伤后发生的核糖体碰撞时被激活。4,60
9. 激活需要结合到碰撞核糖体上的传感器蛋白GCN1，促进GCN2的招募和激活，69这一过程因其与核糖体P-柄的结合而进一步增强。70,71
10. GCN2使细胞对紫外线具有抗性，并限制了压力条件下的核糖体碰撞和RSR激活。5,72
11. 虽然ISR通常被认为是保护性的，但它可能导致促凋亡因子的表达，并最终导致细胞死亡。49,62

Integration of DNA and RNA damage responses

Para_01

1. 研究DDR几十年来一直基于这样的假设：当细胞暴露于基因毒性剂时，对DNA损伤的反应主要决定了生存。
2. 在这里，我们将由此产生的范式与关于RNA损伤反应的新见解结合起来。

Para_02

1. DNA病变激活了一个复杂的DDR网络，该网络协调细胞的DNA修复活动、细胞周期检查点以及对DNA损伤的生存决策（图3C）。
2. DDR由磷脂酰肌醇-3激酶相关蛋白激酶（PIKK）家族的成员启动。
3. 共济失调毛细血管扩张症和Rad3相关激酶（ATR）通过其相互作用伙伴ATRIP被招募到复制叉遇到模板DNA中的病变而积累的单链DNA（ssDNA）处。
4. 相比之下，共济失调毛细血管扩张症突变（ATM）通过MRE11-RAD50-NBS1（MRN）复合体被招募到DNA双链断裂（DSB）处，该复合体感知DNA末端。
5. 当ATM或ATR被激活时，下游磷酸化级联反应分别由转导激酶CHK2或CHK1启动。
6. 随后CDC25磷酸酶的磷酸化阻止了CDKs的去磷酸化和激活。
7. 此外，ATM和CHK2都磷酸化并稳定p53，导致p21表达，这也抑制了CDKs。
8. 因此，细胞在细胞周期的G1/S或G2/M转换处停滞，从而为DNA修复提供了时间。
9. 如果细胞在此短暂的细胞周期停滞期间未能修复DNA病变，或者它们暴露于大量损伤，持续的CHK2激活将导致p21的持续表达，最终诱导细胞衰老。
10. 同时，p53的稳定导致促凋亡目标基因的转录，导致线粒体外膜的通透性增加，从而促进凋亡。
11. 因此，文献中经常讨论持久的DDR激活会导致细胞死亡，但支持这一观点的实验数据很少。

Para_03

1. 对DDR的经典理解被观察到的现象所挑战，即ZAKα的丧失，从而导致RSR的丧失，使得细胞对高剂量紫外线辐射产生抗性。
2. 这一观察表明，在急性暴露于紫外线后，凋亡主要由RNA损伤而非DNA损伤驱动。
3. 相比之下，ATM或ATR活性的丧失会导致对各种基因毒性剂的严重敏感性，这突显了这两个信号网络在决定经历复杂核酸损伤的细胞命运方面的根本差异。
4. DDR对于在DNA修复完成之前阻止细胞周期进程至关重要。
5. 在没有DDR激活的情况下，即使存在未修复的DNA损伤，细胞最初也会继续增殖，这可能导致遗传异常和染色体丢失。
6. 虽然在大多数细胞中，这将导致适应力降低，但相关的遗传变化可能会导致个别细胞发生恶性转化。
7. 除了最初促进DNA修复外，DDR还会通过诱导细胞衰老来防止肿瘤发生，如果DNA修复不成功的话。
8. 在具有降低的DNA修复能力或增加的内源性DNA损伤的小鼠中，DDR诱导的衰老可以导致组织功能障碍，这种功能障碍可以通过删除p53来抑制。
9. 然而，与DDR的肿瘤抑制作用一致的是，p53的丧失并不能抑制潜在的基因组不稳定，并且因此可能导致癌症负担增加。
10. 总体而言，当细胞经历低剂量或慢性DNA损伤时，DDR的作用似乎尤为突出（图3D）。
11. 相比之下，RNA损伤的反应似乎在急性且严重的损伤情况下占主导地位。
12. 这种损伤可以被翻译中的核糖体独立于细胞周期状态有效地和迅速地感知。
13. 由此引发的ISR和RSR激活会引起即时的压力反应，确保基本细胞功能的恢复和持续。
14. 此外，RNA损伤很可能作为煤矿中的金丝雀，提醒细胞注意同时存在的DNA损伤。
15. 因此，持续激活ZAKα依赖性RSR以响应持久的RNA损伤而引起的细胞凋亡是一种有效的策略，可以限制那些携带大量潜在致瘤DNA损伤的细胞的增殖，而不依赖于p53或细胞周期状态。
16. 与这一观点一致的是，某些抗癌药物对ZAKα诱导的细胞死亡的脱靶抑制已被链接到继发性的紫外线诱导的肿瘤发生和皮肤鳞状细胞癌。

Para_04

1. 除了DNA和RNA损伤反应的平行操作外，细胞核中DNA损伤的感受可以间接触发ISR和RSR的激活。
2. 这种串扰是由tRNA内切酶SLFN11介导的，它响应DNA损伤（图4）。
3. 虽然SLFN11激活的确切信号仍然未知，但很可能是由DNA损伤存在时积累的单链DNA激活的。
4. 一旦被激活，SLFN11特异性地切割识别UUA密码子的新合成和成熟的亮氨酸tRNA。
5. 由此导致的tRNA-Leu-UUA耗竭会导致相应密码子上的核糖体停滞以及随后的核糖体碰撞。
6. 随后GCN2依赖的ISR激活导致全局翻译关闭，而同时ZAKα依赖的RSR激活触发p53非依赖性凋亡。
7. 其能够响应DNA损伤触发凋亡的能力使SLFN11成为对DNA损伤剂如喜树碱或顺铂敏感的关键决定因素。
8. 因此，SLFN11的表达与癌症患者对喜树碱或顺铂衍生物治疗的反应密切相关，并且在不响应化疗的肿瘤中经常丢失。

图片说明

◉ 图4. DNA损伤诱导的翻译耦合应激反应 DNA损伤诱导的tRNA内切核酸酶SLFN11连接DNA损伤反应与RNA损伤反应途径的激活。◉ 由于DNA损伤积累的单链DNA激活了SLFN11，然后它特异性地切割细胞核和细胞质中的tRNA-UUA-Leu。◉ 缺乏相应的tRNA导致核糖体在UUA密码子处停滞，引发核糖体碰撞，并随后激活核糖毒性应激反应和整合应激反应。

Para_04

1. 这些见解共同描绘了一幅高度相互关联的核酸损伤反应图景，该反应整合了来自响应DNA和RNA损伤的网络的信息，以告知细胞生存决策。

Sequestration of RNA damage

Para_01

1. DDR的一个关键功能是促进高效的DNA修复，例如通过直接逆转或病变切除。
2. 虽然必须修复DNA以保存遗传信息，但细胞有更多的选择来处理受损的RNA，以防止对剪接或翻译等关键细胞过程造成干扰（图5）。

图片说明

◉ 细胞过程减轻RNA损伤的毒性（A）紫外线诱导的新生RNA损伤的毒性通过隔离到DHX9阳性应激颗粒中受到限制。◉ 受损RNA的隔离阻止了有丝分裂后细胞质双链RNA的积累，并避免了子细胞中炎症反应的激活。◉ （B）紫外线和醛类诱导的mRNA-蛋白质交联（mRPCs）以翻译耦合的方式被解决。◉ 核糖体在mRPCs处停滞和随后的碰撞由碰撞传感器蛋白GCN1感知。◉ E3泛素连接酶RNF25被招募来泛素化核糖体蛋白，然后由E3泛素连接酶RNF14泛素化mRPC。◉ 随后通过非典型K6-/K48连接的泛素链修饰触发了加合物的蛋白酶体降解，由依赖泛素的分离酶p97支持。◉ （C）烷化剂引起的RNA甲基化损伤可以直接通过双加氧酶ALKBH3逆转。◉ （D）RNA断裂可以通过专门的RNA修复连接酶进行修复。◉ RTCB连接酶修复带有5′-羟基和2′,3′-环磷酸或3′-磷酸末端的RNA。◉ RLIG1促进清洁的5′-磷酸和3′-羟基RNA末端的连接。

Para_01

1. 受损mRNA分子的毒性可以通过它们的隔离来限制。
2. 烷基化或氧化损伤的mRNA被隔离在无膜细胞器中，如应力颗粒或P体。
3. 这些颗粒含有未翻译的mRNA和RNA结合蛋白，并且在经历各种类型压力的细胞中形成。
4. 紫外线照射后会出现独特的细胞质RNA损伤诱导的应力颗粒（图5A）。
5. 这些颗粒主要包含错误剪接的新生mRNA和dsRNA种类，并且由RNA解旋酶DHX9的存在标记。
6. 有趣的是，紫外线照射后的母细胞分裂后，在子代细胞中DHX9阳性的颗粒主要形成。
7. 在子代细胞中，DHX9介导的隔离对于防止对细胞质dsRNA的先天免疫反应很重要。
8. 即使没有外源性诱导的RNA损伤，DHX9缺陷也会导致细胞质dsRNA的积累和先天免疫反应。
9. 这可能是由于内源性RNA损伤的积累所引起的。

Para_02

1. 除了防止免疫传感器的异常激活外，将受损RNA隔离在应激颗粒中可能有助于阻止有问题mRNA的翻译。
2. 氧化mRNA的隔离很可能是由RNA结合蛋白如YB-1促进的，这种蛋白质可以结合含有8-氧代G的RNA，并已被证明在响应砷诱导的氧化应激时启动应激颗粒的形成。
3. 有趣的是，这些应激颗粒中富集的RNA高度修饰了m6A和m7G。
4. 这两种修饰的阅读蛋白对于应激颗粒的形成是必不可少的，并且可以将相应修饰的mRNA靶向到这些区室。
5. 鉴于UV辐射诱导m6A，烷化剂诱导m7G，这两种修饰似乎在调节受损RNA的隔离中起着普遍作用。
6. 事实上，砷诱导的m7G修饰将RNA靶向到应激颗粒中。
7. 一旦形成，应激颗粒就作为mRNA的分类中心。
8. 隔离的mRNA原则上可以被转移到细胞质中并重新用于翻译，但也可能通过自噬途径被降解。

Resolution of mRNA damage

Para_01

1. 降解是一种直接处理受损mRNA的方法。细胞拥有多种mRNA监视和质量控制机制来降解异常转录物。
2. 历史上，含有二级结构、截断、提前终止密码子或缺乏终止密码子的定义模型底物被用来研究mRNA降解。
3. 值得注意的是，所有三种主要的mRNA质量控制途径——无义介导的降解（NMD）、无终止密码子介导的降解（NSD）和无进展降解（NGD）——的原则都完全适合识别受损RNA。
4. NMD对提前终止密码子作出反应，这些密码子可能源于异常剪接事件，而这些异常剪接事件又可能是核前mRNA上紫外线交联损伤的结果。
5. NSD在核糖体到达mRNA远端3′末端时开始，这可能是由于缺乏终止密码子，但也可能在诱导RNA断裂时发生。
6. 最后，当mRNA内的障碍，如强发夹结构阻止核糖体前进时，NGD就会被激活。
7. 因此，NGD很可能是由大量阻碍核糖体前进的RNA损伤激活的。
8. 事实上，NGD在清除由ROS或烷基化引起的mRNA损伤方面起着关键作用。
9. 这三条途径都是在细胞质中进行的，并依赖于翻译中的核糖体来感知有缺陷的mRNA，并最终导致外泌体或XRN1介导的RNA降解。
10. 在核内，未剪接和错误腺苷化的转录物可以被外泌体和XRN2介导的降解途径靶向。
11. 此外，所有这些途径都可以识别受损的RNA。

Para_02

1. 与错误mRNA的翻译偶联降解同时，部分合成的新生肽链必须被降解，这通过核糖体相关质量控制（RQC）来实现。
2. 该途径由泛素E3连接酶ZNF598（酵母中的Hel2）结合到两个碰撞的核糖体之间形成的界面而启动，导致随后对核糖体蛋白eS10、uS10和uS3的泛素化。
3. 在第二步中，受影响的核糖体被拆分，释放出的新生多肽根据由泛素E3连接酶Listerin（Ltn1）介导的泛素化被蛋白酶体降解。

Para_03

1. 此外，最近发现了一条通路，该通路可以解决UV照射或代谢醛处理细胞后产生的共价mRPC（图5B）。11,12
2. 当延伸中的核糖体遇到编码区域内的共价蛋白加合物时，就会启动这种质量控制过程。11,12
3. 与延伸中的核糖体发生交联的蛋白质会使其停滞，最终导致与后续核糖体发生碰撞。11,12
4. 虽然这些碰撞分别以GCN2和ZAKα依赖的方式激活ISR和RSR，但它们也促进了交联蛋白质的蛋白酶体降解。11,12
5. 为此，碰撞传感器GCN1招募了两种泛素E3连接酶。125,126
6. 其中一种，RNF25，在核糖体上的特定赖氨酸残基上进行泛素化，包括eS31上的赖氨酸残基。125,126
7. 这种修饰似乎有助于支持第二种招募的E3，即RNF14的功能。125,126
8. RNF14用非典型的K6和K48连接的泛素链修饰交联的蛋白质。11,12
9. 值得注意的是，RNF14不仅针对mRPCs，还针对被困的翻译因子。125,126
10. 泛素化将交联的蛋白质靶向蛋白酶体降解，此外还受到泛素依赖的分离酶p97的支持。11
11. 然而，蛋白质加合物降解后受损mRNA的命运目前尚不清楚。

Resolution of rRNA and tRNA damage

Para_01

1. 除了作为mRNA损伤的感受器外，核糖体本身也可能受到损伤。
2. rRNA损伤会破坏核糖体功能，并随后导致蛋白质稳态受损，这需要不同的质量控制途径，统称为非功能性rRNA衰减（NRD）。
3. NRD最初在酵母中被发现，它能解决异常的rRNA，确保只有正确组装和完全功能化的核糖体参与翻译。
4. 已知NRD有两种概念上不同的途径：
5. 具有在其18S rRNA解码位点损伤的核糖体40S亚基仍可以完全组装并进行翻译，但会导致核糖体停滞，并以翻译耦合的方式启动NRD。
6. 核糖体蛋白uS3发生泛素化，触发有缺陷的小亚基随后的解离以及有问题的18S rRNA的消除。
7. 哺乳动物细胞中的NRD似乎依赖于GCN2介导的ISR来促进18S rRNA的降解。
8. 此外，RNF10介导的uS3和uS5的翻译耦合泛素化对于促进40S亚基的降解很重要。
9. 相比之下，含有非功能性25S rRNA的有缺陷60S亚基的解决是不依赖翻译的，如酵母实验所示。
10. 异常的25S rRNA通过胞质溶胶中的外泌体介导的降解被清除。
11. 而有缺陷的60S核糖体颗粒则通过蛋白酶体降解被靶向，以防止错误组装的80S核糖体形成。

Para_02

1. 虽然对tRNA损伤的研究甚少，但关于酵母中缺陷tRNA修饰后果的研究为我们提供了细胞tRNA质量控制原理的见解。
2. tRNAs经历多种修饰，这些修饰对其稳定性和功能至关重要。
3. 破坏这些修饰会导致通过涉及细胞质外切酶Xrn1和核外切酶Rat1的快速tRNA降解(RTD)途径消除tRNAs。
4. 在细胞核内，异常的前tRNA会在TRAMP复合物进行多聚腺苷化后被分解，并通过外泌体介导的降解过程进行处理。
5. 137,138

Repair of RNA damage

Para_01

1. 降解受损的RNA分子是防止RNA损伤的毒性后果的有效策略，但这会导致受影响RNA的不可逆丢失。
2. 相比之下，修复受损的RNA分子将消除对其能量昂贵的再合成的需求，从而减少维持转录组稳定和核糖体生物生成所需的代谢负担。

Para_02

1. 确实，病毒和人类AlkB家族的核酸二氧酶被认为可以修复烷基化的RNA分子（图5C）。
2. ALKBH3可以直接逆转单链RNA中的甲基化碱基，
3. 从而防止细胞暴露于甲基化试剂后出现翻译缺陷。
4. 虽然ALKBH3依赖的RNA修复的确切调控机制尚不清楚，但它与核糖体在损伤位点停滞以及在RQC过程中由解旋酶ASCC3随后分裂有关。
5. 有趣的是，ALKBH3依赖的DNA修复也依赖于ASCC3，并且与RNA损伤紧密相连。
6. ALKBH3在核斑点中修复DNA，这需要泛素E3连接酶RNF113A的活性。
7. RNF113A在结合到甲基化RNA时被激活，这需要形成核内ASCC3-ALKBH3焦点，从而修复甲基化DNA。
8. 因此，有效的DNA修复可以与相邻的RNA损伤同时发生。

Para_03

1. 除了直接逆转外，受损的RNA碱基还可以通过病变特异性糖基化酶切除。
2. 单链选择性单功能尿嘧啶-DNA糖基化酶1（SMUG1）不仅针对DNA中的5-羟甲基尿嘧啶，还可以作用于RNA，例如端粒酶的RNA组分hTERC。
3. 除了在端粒维持的RNA加工中的作用外，SMUG1定位在核仁——rRNA合成的位置——并且其耗竭会导致28S和18S rRNA中5-羟甲基尿嘧啶含量增加，并且成熟rRNA含量减少，这突显了其在rRNA质量控制中的重要作用。
4. SMUG1对RNA的作用会产生RNA中的无碱基位点。
5. 在DNA中，无碱基位点进一步由内切核酸酶APE1处理，从而使DNA单链断裂修复机制得以修复。
6. 据报道，APE1也可以处理RNA中的无碱基位点，但这种反应的相关性尚未在真核生物中进行研究。
7. 有趣的是，最近一项在细菌中的研究表明，核糖体蛋白Rps3作为内切核酸酶可以切割mRNA中的无碱基位点。
8. 虽然这种活性似乎能保护细胞免受氧化和紫外线诱导的压力，但由此产生的RNA断裂的命运仍然不确定。

Para_04

1. RNA断裂确实可以被修复（图5D）。
2. Hen1-Pnkp异四聚体通过重新连接断裂的tRNA末端来修复细菌中的核糖毒素诱导的tRNA断裂。
3. 这一过程包括将一个甲基基团转移到断裂tRNA的2′-羟基上，这可以防止核糖毒素再次切割。
4. RNA连接酶Rtcb同样可以连接具有5′-羟基和2′,3′-环磷酸或3′-磷酸末端的rRNA和tRNA断裂。
5. 在哺乳动物同源物RTC在内质网应激诱导下非典型剪接XBP1-mRNA过程中以及修复由基于CRISPR的RNA编辑系统诱导的RNA断裂时，也使用了相同的酶活性。
6. 然而，鉴于这种类型的修复需要特定的RNA末端，因此它不太可能构成一种通用的RNA断裂修复系统。
7. 有趣的是，RLIG1最近被鉴定为第一个促进清洁的5′-磷酸和3′-羟基RNA末端连接的人类RNA连接酶，保护细胞免受氧化性RNA损伤的毒性影响。
8. 这一发现表明哺乳动物中存在一种RNA断裂修复途径。
9. 理解RNA断裂如何在这种系统中定位以确保忠实修复仍然是一个关键问题。
10. 似乎依赖连接的RNA断裂修复特别适合于修复高度结构化的RNA，例如tRNA，在这种情况下，由于分子本身的折叠，受影响的末端很可能被正确地定位。
11. 与这一观点一致的是，RLIG1的缺失与小鼠大脑中异常的tRNA水平有关。

Para_05

1. 如何独立于翻译感知受损的 RNA，受损 RNA 是选择降解还是修复，以及这两种过程在生理和病理情况下的调控机制是未来重要的研究问题。

RNA damage responses in human disease

Para_01

1. 复杂RNA损伤修复途径的存在突显了减少RNA损伤毒性效应的重要性。
2. 因此，RNA损伤及其相关细胞反应与多种人类疾病密切相关并不令人惊讶。

Para_02

1. ZAKα依赖的RSR在停滞和碰撞核糖体上的激活是整合由RNA完整性受损引起的多种病理状况的关键节点。
2. UVB辐射驱动皮肤角质细胞中促炎基因的表达，这些细胞表达了先天免疫传感器NLRP1。
3. ZAKα和p38响应UVB诱导的RNA损伤磷酸化NLRP1。
4. NLRP1的磷酸化促进炎症小体的形成，在急性日晒伤时触发促炎信号和焦亡。
5. 因此，具有NLRP1功能获得性突变的患者容易患上炎症性皮肤病和皮肤癌。
6. 值得注意的是，ZAKα依赖的RSR激活在小鼠中也驱动了对UVB的快速真皮炎症、皮肤增厚以及JNK依赖性细胞凋亡，在这种情况下NLRP1不受p38介导的激活影响。
7. 当NMD通路成分缺陷时，促炎信号和自身免疫性疾病的发展也会发生，
8. 但是尚未确定导致这些疾病的致病或异常RNA种类。
9. 尽管如此，RNA损伤和下游信号反应正在成为内源性炎症的高度相关来源。

图片说明

◉ 图6. RNA损伤与疾病（A）UVB诱导的RNA损伤激活角质细胞中的核糖毒性应激反应，导致ZAKα和p38介导的皮肤特异性先天免疫传感器蛋白NLRP1磷酸化。◉ NLRP1磷酸化促进炎性小体形成，在急性日晒伤时驱动促炎信号传导和焦亡。◉ （B）代谢疾病和衰老中的更高RNA损伤负荷诱导核糖体停滞和随后的碰撞。◉ 持续激活的RSR以及RQC的连续过载可能有助于代谢疾病、神经退行性疾病和衰老中的代谢功能障碍或异常蛋白质稳态。◉ （C）由RNA损伤诱导的核糖体碰撞导致RSR的持续激活，这可能导致细胞周期阻滞、有丝分裂逃逸和全基因组加倍事件。◉ 具有WGD的癌细胞更具转移性、耐药性，并且总体预后更差。

Para_02

1. 除了驱动促炎信号外，ZAKα依赖性RSR的持续激活还会导致过度细胞死亡，影响组织完整性和生物体健康。
2. 因此，在动物模型中，ZAKα活性的丧失会减缓由氧化RNA损伤引起的代谢衰老特征的发展。
3. 此外，在高脂、高糖饮食诱导的肥胖小鼠模型中，ROS诱导的RSR激活促进多种代谢功能障碍，包括血糖耐受不良和肝脏脂肪变性。
4. 同样地，ZAKα的丧失导致脂肪减少和肝脏脂肪含量降低，这表明RSR可能是一个治疗与肥胖相关疾病（图6B）的潜在治疗靶点。
5. 氧化RNA损伤在神经元中可能特别相关，因为它们由于高代谢需求而特别容易受到氧化应激的影响。
6. 确实，在患有与年龄相关的神经退行性疾病患者中积累了氧化的RNA分子。
7. 此外，在衰老过程中，核糖体暂停和碰撞（这些可以由RNA损伤引起）增加，导致RQC的激活。
8. 如果细胞质量控制变得不堪重负，蛋白质稳态就会被破坏，威胁所有生物体功能。
9. 因此，RQC因子如LTN1或NEMF的丧失会导致小鼠发生神经退化和神经肌肉疾病。
10. 然而，衰老过程中核糖体暂停和碰撞增加的根本原因以及是否包括RNA损伤的积累尚不清楚。

Para_03

1. 诱导RNA损伤也可能负责某些化疗的部分治疗效果。
2. 癌细胞依赖于高效的翻译来产生足够的蛋白质以维持其快速的增长率。
3. 因此，有人提出将靶向蛋白质合成，特别是核糖体生物发生，作为潜在的治疗策略。
4. 支持这一观点的是，一些传统上被认为是基因毒性剂的化疗药物似乎通过破坏核糖体生物发生的能力来杀死癌细胞。
5. 奥沙利铂，一种基于铂的药物，通过诱导DNA和RNA交联损伤，破坏核仁的完整性，从而间接损害rRNA合成和核糖体生物发生。
6. 同样地，化疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）不仅通过抑制dNTP合成，通过靶向胸苷酸合酶（TYMS），造成细胞毒性。
7. 而且，当被整合到RNA中时，它还会通过损害核糖体生物发生和蛋白质翻译来造成细胞毒性。

Para_04

1. 一个有趣的额外可能性是，在癌症治疗过程中，化疗诱导的RSR激活可能通过促进WGD来促进复发和治疗抵抗。
2. 大约三分之一的所有癌症经历WGD，也称为内复制。
3. WGD是由于有丝分裂旁路和基因组复制而没有细胞分裂导致的，从而导致多倍体状态。
4. 176
5. 与非WGD癌症相比，具有WGD的癌症往往更具转移性、药物抗性和预后更差（图6C）。
6. 持续的RSR信号能够通过促进早期G2退出和有丝分裂旁路来诱导WGD事件。
7. 6

Para_05

1. 总之，RNA损伤及其相关的信号响应在各种病理背景下至关重要，这也突显了针对RNA损伤反应网络进行改进和创新治疗的潜力。

Concluding remarks

Para_01

1. 有效的应对各种形式的RNA损伤对于维持RNA分子的多种细胞功能至关重要，其中一些RNA分子可以非常长寿。
2. 尽管RNA的基本重要性不言而喻，但对RNA损伤感知、解决和修复的机制理解远远落后于我们对DNA修复的了解。
3. RNA损伤反应途径（如RSR和ISR）如何在生理和病理情况下诱导RNA损伤后控制细胞命运是一个令人兴奋的未来研究课题。
4. 一个特别有趣的问题是，RNA损伤反应如何与已建立的DDR网络相互作用，以调节细胞死亡、细胞周期进程和炎症，以响应同时引起RNA和DNA损伤的基因毒性剂。
5. 这些试剂的多效性使得确定由RNA损伤引起的特定细胞反应变得具有挑战性。
6. 因此，开发和部署能够特异性诱导RNA损伤的实验系统将至关重要，例如通过代谢标记4-SU随后光激活来模拟RNA交联损伤。
7. 使用此类方法需要解决的一个重要问题是，mRNA、rRNA、tRNA和其他非编码RNA中的病变在多大程度上导致了细胞RNA损伤反应。
8. 扩展我们对依赖翻译的RNA损伤反应的认识，并揭示尚未知的独立于翻译的机制，将有助于我们更好地理解各种人类疾病，并为新的治疗策略提供机会。

Acknowledgments

Para_01

1. 我们要感谢S. Panier, M. Höpfler以及Stingele实验室的所有成员提供的宝贵意见。
2. J.C. 和 C.M.E. 得到了国际马克思-普朗克分子生命科学研究学校的资助。
3. S.Z. 得到了吉林大学优秀青年科学家培训计划（45124031D075）和吉林大学人才启动基金（419080524148）的支持。
4. C.M.E. 得到了Boehringer Ingelheim基金会的支持。
5. J.S. 实验室的研究得到了欧洲研究委员会（ERC CoG 101124695 DECONSTRUCT）、由Alfried-Krupp von Bohlen und Halbach基金会颁发的Alfried-Krupp年轻大学教师奖、欧洲分子生物学组织（YIP4644）、Vallee基金会以及德意志研究联合会（DFG，德国研究基金会）（项目ID 213249687—SFB 1064和项目ID 393547839—SFB 1361）的支持。

Declaration of interests

Para_01

1. 作者声明不存在竞争性利益。