全 文 ：第24卷 第6期
2012年6月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 6
Jun., 2012
文章编号：1004-0374(2012)06-0502-09
谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶的非经典功能 ——
炎症相关基因特异性的翻译沉默
姚　鹏1，王恩多2*
(1 美国克里夫兰医学中心 Lerner 研究所，细胞生物学系，克里夫兰 44195；2 中国科学院上海生命科学研
究院生物化学与细胞生物学研究所，分子生物学国家重点实验室，RNA研究中心，上海 200031)
摘　要：氨基酰 -tRNA 合成酶 (aaRS) 催化氨基酰化反应，为生物体内的蛋白质合成提供原料。哺乳动物细
胞质中一种双功能 aaRS谷氨酰 -脯氨酰 -tRNA合成酶 (EPRS) 通常负责将谷氨酸和脯氨酸分别接载到对应
的 tRNA的 3末端参与蛋白质翻译；此外，它还具有与氨基酰化经典功能无关的单核／巨噬细胞特异性炎
症相关基因翻译沉默的非经典功能。在过去的十五年间，对于 EPRS 参与炎症反应相关基因表达调控的功
能研究取得了一系列重要进展，揭示了看家基因 EPRS 与人类疾病发生和发展的潜在联系。
关键词：谷氨酰 -脯氨酰 -tRNA 合成酶；非经典功能；翻译沉默；炎症
中图分类号：Q559 文献标志码：A
Noncanonical function of glutamyl-prolyl-tRNA synthetase —
inflammatory gene-specific translational silencing
YAO Peng1, WANG En-Duo2*
(1 Department of Cell Biology, Lerner Research Institute, Cleveland Clinic, Cleveland 44195, USA; 2 Center for RNA
Research, State Key Laboratory of Molecular Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes
for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) catalyze aminoacylation of their cognate tRNAs for protein
biosynthesis. Mammalian cytosolic dual-functional enzyme glutamyl-prolyl-tRNA synthetase (EPRS) is generally
responsible for charging the amino acids Glu and Pro to the 3-end of their cognate tRNAs for initiation of protein
translation; the enzyme EPRS also possesses noncanonical function as monocyte/macrophage-specific translational
silencing of inflammatory gene expression beyond the canonical aminoacylation function. During the past 15 years,
important progresses have been made on functional research about EPRS-directed regulation of inflammatory gene
expression, revealing potential relation between the “house-keeping” enzyme EPRS and the development of human
diseases.
Key words: glutamyl-prolyl-tRNA synthetase; noncanonical function; translational silencing; inflammation
收稿日期：2012-04-17
基金项目：国家自然科学基金重点项目(309300022,
31130064)；科技部国家重大科学研究计划(2012CB-
911000, 2012CB911001)
*通信作者：E-mail: edwang@sibs.ac.cn
氨基酰 -tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase,
aaRS) 家族是进化上极为古老的酶类，广泛存在于
生物体的三界之中，参与生物体内的遗传解码过程。
它们负责催化氨基酸与其对应 tRNA 之间的酯化反
应生成氨基酰 -tRNA，为生物体内的蛋白质合成提
供原料 [1-2]。aaRS合成正确的氨基酰 -tRNA，一方
面通过酶与底物的精确识别合成正确的产物，另一
方面通过 aaRS的编校功能去除错误产物。某些
aaRS的编校功能非常重要，由于生物体内存在大
姚　鹏，等：谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶的非经典功能 ——炎症相关基因特异性的翻译沉默第6期 503
量结构相似的非同源氨基酸或天然代谢物，许多
aaRS 为保持蛋白质合成的精确性，在进化的选择
压力下产生了编校功能来水解误活化或误氨基酰化
产物。aaRS 反应的专一性确保了蛋白质生物合成
的精确性。一般而言，氨基酰化反应通过两步完成：
(1) 氨基酸的活化反应，由 ATP提供能量，生成活
化的中间产物氨基酰 -腺苷酸；(2) 氨基酰 -腺苷酸
上的氨基酰基转移到 tRNA的 3-末端生成终产物
氨基酰 -tRNA。根据 aaRS 一级序列中的特征结构
花式 (motifs)，催化活性中心的拓扑结构以及氨基
酰化反应是发生在 tRNA 3-末端腺苷酸的 2或 3-
羟基，20种 aaRS 被分为两类，每类 10种 [3]。本文
用氨基酸单字符或三字符后缀 RS 代表对应于某一
氨基酸的 aaRS。在哺乳动物细胞中，存在着细胞
质和线粒体两套 aaRS 及其对应的 tRNA，分别负责
两个亚细胞区域中的蛋白质翻译过程。氨基酰化和
编校的催化反应作为 aaRS 的经典功能，其对应的
催化结构域在生物三界内相当保守。然而，在进化
过程中，一些哺乳动物的细胞质aaRS 催化核心的 N-
端或者 C-端存在着疏水的延伸结构域。这类结构
域在原核生物和低等真核生物中往往不存在。越来
越多的证据表明，哺乳动物的细胞质 aaRS负责参
与酶催化活性以外的众多非经典功能 [4-5]，诸如
rRNA 合成、细胞凋亡、翻译调控、转录调控、信
号转导、血管生成、炎症反应、癌症发生等生物学
过程。
本文着重阐述人细胞质谷氨酰 -脯氨酰 -tRNA
合成酶 (EPRS) 的非经典功能。在高等真核生物
的细胞质中，七种 aaRS (MRS、RRS、LRS、IRS、
DRS、QRS、KRS) 和一种双功能 EPRS与 p18、p38
和 p43三种蛋白质辅助因子构成了一个巨大的 aaRS
复合物 (tRNA multi-synthetase complex, MSC)，脊
椎动物 EPRS 便定位于该复合物中。EPRS 是一种
独特的双功能酶，相对分子质量为 1.72 × 105，含
有 N-端短的 GST结构域、GluRS催化结构域、三
个串联的WHEP结构域 [由 Trp(W)RS、His(H)RS
和 EPRS三个含有此结构域的 aaRS而命名 ]组成
的链接肽段，以及C-端的 ProRS催化结构域 (图 1)。
GluRs属于第一类 aaRS，而 ProRS属于第二类 aaRS,
EPRS的两个催化核心分别负责连接谷氨酸 (Glu) 和
脯氨酸 (Pro) 到对应的 tRNA 接受茎的 3-末端参与
蛋白质合成。已知含有 WHEP 结构域的五种 aaRS
都具有氨基酰化活性以外的非经典功能。在所有后
生动物物种中的 EPRS几乎都存在WHEP 结构域，
但细菌和酵母中的 EPRS却不存在，暗示WHEP 结
构域并不是经典的 aaRS的合成活力所必需，而可
能由于招募了WHEP 结构域，aaRS的某种重要的
非经典功能已经获得了长达 5亿年之久 [6]。
基因的表达调控存在于分子合成和降解的多种
步骤中，包括 mRNA 转录、可变剪接、可变多聚
腺苷酸化、mRNA 转运、转录后 mRNA 稳定性、
蛋白质翻译、蛋白质稳定性、翻译后蛋白质残基的
修饰和特异性蛋白质水解等。翻译调控作为一种“关
闭性”开关的机制可以严格控制蛋白质的时空表达。
蛋白质翻译作为遗传信息转译过程的最后一步，翻
译“刹车”机制体现出极为重要的调节优势——快
速反应性。由于 mRNA 水平不发生改变，翻译控
制如同“变阻器”，可以在特定条件下迅速上调或
下调特定蛋白质的表达水平，进而调节其生物学功
能。大体上，翻译调控可分为两类：整体性调控和
转录本选择性调控 [7]。整体性机制调节大部分转录
本的翻译，一般通过修饰某种必需的翻译因子来实
现；转录本选择性机制则调节一组功能相关的
mRNA 的翻译，一般通过 mRNA-结合蛋白和 mRNA
的 5-非翻译区 (5-UTR) 或 3-非翻译区 (3-UTR)
中对应的顺式 RNA元件的相互作用来介导。在此，
详细介绍了人体单核／巨噬细胞中，EPRS 在被 γ
干扰素 (interferon-γ, IFN-γ)激活后形成 IFN-γ 激
活的翻译抑制子 (gamma-interferon activated inhibitor of
translation, GAIT)，结合靶标 mRNA 3-UTR 上的
GAIT识别元件 (GAIT element)，抑制炎症相关蛋
白质翻译的非经典功能。
图1 EPRS的蛋白质结构域示意图
生命科学 第24卷504
1　EPRS在GAIT-介导的转录本选择性翻译沉
默过程中的功能
1.1　GAIT复合物的鉴定和功能
炎症 (inflammation)是血管系统的机体组织受
损伤时，对损伤因子所发生的天然的局部的防御反
应以及一系列保护性应答，以局部血管为中心，典
型特征是红、肿、热、痛和功能障碍，可参与清除
损伤因子和修补受损组织等。一般，炎症对机体有
利。但在某些情况下，炎症又是潜在有害的，例如
过度的炎症反应会产生对人体自身组织的攻击。炎
症反应还是某些疾病的发病基础，例如慢性炎症可
导致动脉粥样硬化症，而巨噬细胞作为主要效应细
胞在其发展过程中起到关键作用。血液中的单核细
胞来源于骨髓髓系干细胞，随血液循环迁移至全身
各器官组织中定位，并分化成为各种类型的巨噬细
胞参与炎症防御性反应。IFN-γ属于 II 型干扰素，
是一种具有促炎症和抗炎症双重作用的生物活性蛋
白质，也是最早发现的细胞因子之一。它主要由活
化 T细胞和自然杀伤细胞产生，具有抗病毒、抗肿
瘤、抗细胞增殖和分化、激活巨噬细胞、调节多种
免疫功能等一系列作用。血浆铜蓝蛋白 (ceruloplasmin,
Cp)是一种急性时相炎症反应蛋白质，由肝脏细胞
和单核／巨噬细胞产生。该蛋白质在离子代谢和炎
症反应中起重要作用，在杀菌活性、抗氧化压力和
脂蛋白氧化反应方面的功能已有大量报道 [8-11]。Cp
的mRNA 在人单核细胞系U937细胞中无法检测到，
但在 IFN-γ处理条件下，Cp mRNA 及其蛋白质在
2~4 h内被大量诱导表达 [12]，IFN-γ在炎症基因转
录激活水平上表现出促炎症效应。尽管高丰度的
Cp mRNA 持续积累长达 24 h，但是脉冲标记实验
结果表明 Cp的合成在 12~16 h后几乎完全停止 [13]，
IFN-γ又表现出在炎症基因转录后水平上的抗炎症
效应。Cp的 mRNA翻译沉默具有高度选择性，因
为同位素代谢标记结果显示细胞中整体蛋白质的合
成并不受 IFN-γ的影响。
Cp mRNA的翻译沉默需要通过其 3-UTR 的
一个顺式结构元件 (GAIT element)参与。删除突变
和替换突变分析表明 GAIT识别元件是一个长度为
29 nt的二重茎环结构 [14]。GAIT识别元件被 IFN-γ
激活的 GAIT复合物特异识别并结合。通过酵母三
杂交遗传学筛选手段和亲和层析偶连蛋白质质谱
技术，GAIT复合物中的 EPRS、NS1-结合蛋白 -1
(NS1-associated protein-1, NSAP1)、磷酸甘油醛脱
氢酶 (GAPDH) 和核糖体蛋白 L13a这四个成员被
鉴定出来 [15-16]。GAIT 复合物的组装通过两步过程
完成 (图 2)：第一步，发生在 IFN-γ处理 2 h后，EPRS
发生磷酸化，从 aaRS 复合物上解离下来，结合
NSAP1 形成无活性的前体 GAIT 复合物，它既不能
结合 GAIT 靶标 mRNA 也不能介导其翻译沉默；第
二步，发生在 IFN-γ处理 12~14 h后，核糖体蛋白
L13a 也发生磷酸化，从核糖体 60S亚基上解离下来，
结合 GAPDH 和前体 GAIT 复合物，最终形成具有
功能活性的完整的 GAIT 复合物。EPRS 在 GAIT
介导的翻译沉默途径中具有至关重要的作用，因为
它是四个 GAIT 成员蛋白质中唯一负责识别并直接
结合含有 GAIT识别元件的靶标 mRNA[17]。
1.2　aaRS复合物上EPRS磷酸化介导的酶的解离和
GAIT复合物的组装
在人体单核／巨噬细胞中，IFN-γ在 1~2 h内
依次激活 EPRS 两个磷酸化位点 Ser886 和 Ser999 从而
启动 GAIT 途径 [18]。 IFN-γ通过诱导调节蛋白 CDK5-
R1 (p35) 激活依赖 Cyclin的激酶 5(CDK5)磷酸化
Ser886位点，进而通过活化下游的一个 AGC激酶使
Ser999磷酸化 [19]。通过表面等离子共振技术的体外
结构功能实验分析发现，EPRS 的三个 WHEP 结构
域中的上游两个区段 (R1和 R2)具有不依赖磷酸
化的高亲合力特异性结合 GAIT识别元件的能力，
同时它还具有低亲合力非特异性结合 tRNA 的能
力 [17]，说明 WHEP 结构域的关键作用并非招募
tRNA 底物提高氨基酰化反应的效率而是参与翻译
调控的非经典功能。Ser886位点的磷酸化并非 EPRS
结合 GAIT识别元件所必需，但却是 NSAP1 结合
EPRS 形成前体 GAIT 复合物所必需的。NSAP1 结
合在含有磷酸化 Ser886位点的 WHEP 结构域中的下
游两个区段 (R2和 R3)，阻断 EPRS对 GAIT元件
的结合 [17]。Ser999的磷酸化则促进 EPRS从 aaRS 复
合物上解离下来，并介导 GAPDH 和 L13a 的结合
以及完整 GAIT 复合物的组装 [18]。GAPDH 和 L13a
结合在前体 GAIT 复合物上会诱导 EPRS 的 WHEP
结构域的构象变化，解除 NSAP1 对 EPRS 识别
GAIT元件的负向抑制作用 [17]，使 EPRS结合靶标
mRNA上的 GAIT元件；同时促使 L13a 结合翻译
起始因子 eIF4G，最终通过阻断 eIF4G 和 eIF3 的相
互作用阻止前体翻译起始复合物的招募，关闭靶标
mRNA 的翻译 [18]。由此可见，aaRS 复合物扮演了
一个“分子仓库”的角色，在环境压力和外界因子
刺激下，可诱导特定的蛋白质组分解离和释放下来，
姚　鹏，等：谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶的非经典功能 ——炎症相关基因特异性的翻译沉默第6期 505
参与新的复合体组装和执行非经典生物学功能。
2　GAIT系统的靶标是同属炎症相关基因的转
录后调控子
2.1　生物信息学预测和功能实验鉴定的GAIT靶标
mRNA
转录后调控子 (post-transcriptional regulon)是
指含有能被相同的 RNA-结合蛋白或蛋白质复合体
专一识别并共同调控的功能相关的一组 mRNA。
由于 GAIT 复合物蛋白质组分在细胞内的高丰度，
它的靶标 mRNA 很可能不仅只是 Cp mRNA，而同
时包括一系列功能相关的不同 mRNA。研究人员通
过一个不依赖于折叠能的 RNA 模式分析算法系统
(http://www.ba.itb.cnr.it/BIG/PatSearch/)，基于 Cp GAIT
元件的序列模式和二级结构特征，针对具有 20万
个序列的 3-UTR 数据库搜索可能存在的含有 GAIT
识别元件的其他 mRNA。该算法鉴定出位于 3-UTR
区域 55个含有可能 GAIT识别元件的人源 mRNA，
而仅有 2个可能的 GAIT识别元件位于 5-UTR 区
域，表明 GAIT识别元件在 mRNA 上有明显的位置
偏好 [20]。基于基因实体论 (gene ontology)的分析表
明，许多可能含有 GAIT识别元件的转录本与炎症
反应密切相关，而且能被致炎因子诱导表达。通过
生物信息学分析预测，可能含有 GAIT识别元件的
mRNA 包括一种重要的标志性炎症蛋白——血管内
皮细胞生长因子 -A (VEGF-A)，它能刺激血管内
皮细胞增殖，促进血管形成，并增加血管通透性，
在机体早期发育和肿瘤癌症发生中均起到重要作
用 [21-22]。一系列严格的体内和体外实验结果证明
编码 VEGF-A的 mRNA 的确含有介导翻译沉默功
能的 GAIT识别元件 [20](图 2)。此外，激活另一个
GAIT 复合物成员蛋白 L13a 的两个级联激酶——
死亡相关蛋白激酶 (death-associated protein kinase,
DAPK)和Zipper-相互作用蛋白激酶 (zipper-interacting
protein kinase, ZIPK) 的 mRNA 3-UTR 上也含有
GAIT识别元件并受到 GAIT 途径的影响，导致对
应的蛋白质合成关闭，从而构成自身负反馈调控而
最终导致 GAIT 途径失活，使靶蛋白质的合成维持
在初始水平，等待 IFN-γ的再次刺激和 GAIT 途径
新一轮的活化 [23] (图 2)。
2.2　基因芯片分析揭示多个趋化因子配体和受体的
mRNA是GAIT 途径的靶标
为了直接从功能水平上寻找更多包含 GAIT识
别元件的 mRNA，研究人员通过基因表达芯片分析
图2 转录本选择性翻译沉默的GAIT途径[26]
生命科学 第24卷506
人单核细胞中在 IFN-γ激活的条件下发生翻译沉默
的 mRNA ，鉴定出一组编码多个趋化因子配体和
受体的 mRNA 作为 GAIT 途径的靶基因 (图 2)。双
荧光报告基因实验进一步证实了这些 GAIT途径的
靶基因，包括 CCL22 (chemokine [C-C motif] ligand
22)、CCR3 (chemokine [C-C motif] receptor 3)、CCR4
(chemokine [C-C motif] receptor 4)、CCR6 (chemokine
[C-C motif] receptor 6) 和 APOL2 (apolipoprotein L2)[24]。
研究表明，Cp、VEGF-A、DAPK 和趋化因子及其
受体的过量表达参与多种炎症反应的病理性变化，
例如动脉粥样硬化和神经性炎症等。因此，GAIT
途径对这些基因的表达调控可能在控制和缓解慢性
炎症方面具有重要意义。
3　EPRS和靶标mRNA结合的负向调控
3.1　脊椎动物中首次发现控制基因表达的RNA开
关机制——低氧环境解除GAIT途径对VEGF-A的
翻译抑制
在多种细菌、真菌和植物中，RNA 开关或核
糖开关 (riboswitch) 存在于 mRNA 中涉及与小配体
(如代谢产物 )直接结合的区域，能感受配体浓度
的精细变化进而调控基因的表达，基于此机制对
各种不同的代谢物或营养物的过量或缺乏频繁而
灵敏地作出反应。2009年，研究人员在人类细胞中
发现一种 RNA 开关 (图 3)。它是编码 VEGF-A 的
mRNA 3-UTR 的一个区域——低氧稳定区段 (hypoxia
stability region)，该区段包含富集 CA 双核苷酸序列
的核不均一核糖核蛋白 L (hnRNP L) 结合元件和与
其紧邻的 GAIT识别元件。行使开关功能的 mRNA
低氧稳定区段可结合两种不同的蛋白质或蛋白质复
合体： hnRNP L 或 GAIT 复合物。其中一种蛋白质
或蛋白质复合体的结合可诱导 VEGF-A 的 mRNA
产生一个特定的构型，它会阻止另一种蛋白质或蛋
白质复合体的结合。低氧稳定区段具体结合哪个因
子，则取决于指示炎症和缺氧状态的环境信号。在
常氧条件下，IFN-γ诱导 hnRNP L 的蛋白质酶体降
解，并激活 GAIT 途径使 GAIT 复合物结合在含有
GAIT识别元件的 VEGF-A mRNA 上，使其 mRNA
形成翻译沉默构型，抑制 VEGF-A 的表达。在低氧
条件下，hnRNP L 的蛋白质稳定性提高，结合富含
CA的 hnRNP L 结合元件，使 mRNA 形成翻译活化
构型，阻断 GAIT 复合物对相邻 GAIT识别元件的
结合，从而促进 VEGF-A 的高表达，但不影响
GAIT 途径抑制其他靶基因的蛋白质合成 [25]。该开
关机制是在多细胞动物中调控基因表达的一种依赖
于蛋白质配体的 RNA 开关的例子，其形成可能是
为了维持对人体中缺氧或发炎组织的氧供应。在人
体的这些部位，对不同输入信号的精确集成要比迅
速作出反应更为重要。
3.2　EPRSN1负调控GAIT翻译沉默活性以维持炎症
基因的“翻译细流(translational trickle)”
基因的转录后调控通常是一种“微调”机制，
例如包含 miRNA(微小 RNA) 的 RNA-诱导沉默复
合物 (RNA-induced silencing complex, RISC)，可以
叠加在转录调控的“开关”机制之上。然而，同为
转录后调控机制的 GAIT 途径并非“微调”性机制，
而是更类似于转录调控的“开关”性机制。GAIT
途径的靶基因在转录水平上，受到 IFN-γ刺激后大
图3 应答环境信号的RNA开关调控VEGF-A的蛋白质翻译[25]
姚　鹏，等：谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶的非经典功能 ——炎症相关基因特异性的翻译沉默第6期 507
幅提高，且和 IFN-γ的浓度呈正相关。在刺激 8 h后，
蛋白质水平和 mRNA 水平呈正比例提高 ；而在
24 h后，mRNA 水平进一步提高，但是蛋白质水平
因受到 GAIT 途径的翻译抑制，维持在很低的基本
恒定表达水平。蛋白质和 mRNA 的比率函数呈现
饱和态的曲线，且蛋白质浓度和 mRNA及 IFN-γ的
浓度不相关。为了能深入探讨 mRNA 表达与蛋白
质合成之间的这种特殊的相互关系，研究人员利用
数学方法构建动态模型，将所有已知的 GAIT 途径
的组成成分、化学计量比、蛋白质与核酸的结合常
数以及各种生化反应的特征通过数学公式逐一定
义，并建立模型进行推导，发现无法准确模拟出与
观测结果一致的蛋白质和 mRNA的函数关系。当
引入可能的 GAIT识别元件结合因子后，才拟合出
与实验现象相一致的饱和态函数曲线。然而，通过
引入 GAIT 复合物抑制因子或引入因前体 -mRNA
可变加工产生的缺失 GAIT识别元件的靶标 mRNA
变构体，构建另外两种可能的动态数学模型，并不
能推演出同样的结论，进一步表明 GAIT 途径中可
能存在一个尚未确定的 GAIT识别元件结合调控因
子。研究人员综合运用蛋白质免疫印迹、蛋白质质
谱分析、RNA 印迹和 mRNA 多聚尾序列测定等实
验手段，鉴定出 EPRS 的一个截短形式的蛋白
质——EPRSN1。它含有 GluRS 催化结构域和三个
WHEP 结构域中的前两个，而这两个 WHEP 结构
域正是 EPRS 负责结合 GAIT识别元件的区段 [17]。
EPRSN1 缺失其他 GAIT 组成蛋白质的结合结构域
(第三个 WHEP 结构域 )而不能组装进 GAIT 复合
物中参与翻译沉默功能。而且，它也不能组装进入
aaRS 复合物，是一个胞质内的游离蛋白质。EPRSN1
具有结合 GAIT识别元件的高亲和力，能保护含有
GAIT识别元件的转录本的蛋白质合成免受抑制性
GAIT 复合物的翻译沉默作用，从而使炎症相关基
因维持在低恒定率的表达水平 (图 4)。因此，研究
人员推断人体单核／巨噬细胞中可能存在一种由
EPRSN1 介导的 GAIT 靶蛋白的“翻译细流”的调节
性机制 [26]。已知 VEGF-A 的抑制剂在临床治疗中，
因完全阻断其生理学功能而产生多种副作用，暗示
炎症相关蛋白的“翻译细流”机制可能起到维持它
们的基本表达水平和正常生理功能发挥的作用。
图4 编码区内可变多聚腺苷酸化产生截短的EPRSN1维持“翻译细流”[26]
生命科学 第24卷508
人类基因组中存在约 2.5万个蛋白质编码基因，
但正常的人体功能需要约 25万以上的各类蛋白质。
转录后加工是真核细胞中，将初级转录 RNA 转化
为成熟 RNA 的加工过程。譬如 mRNA 前体转化为
成熟的 mRNA，其中包括外显子和内含子的可变剪
接 (alternative splicing)、可变多聚腺苷酸化 (alternative
polyadenylation)、RNA 编辑 (editing) 等，这些过程
均发生在蛋白质生物合成之前。人类的单个蛋白质
编码基因一般通过可调节的转录后加工过程产生对
应的多个功能蛋白质。机制性研究表明， EPRSN1 是
通过 EPRS 编码区的单一外显子中隐藏的可变多聚
腺苷酸化过程产生的。多聚腺苷酸化复合物结合在
对应的识别信号序列，切割活化因子在 EPRS
mRNA 中一个编码酪氨酸的遗传密码子 UAU 中的
UA 位点完成剪切反应，多聚腺苷酸聚合酶在切点
后催化合成并接载多聚腺苷酸尾巴 (polyA tail)序
列，将酪氨酸密码子 UAU 转变为终止密码子
UAA，从而翻译生成截短形式的 EPRSN1。这种加
工机制被命名为可变多聚腺苷酸化介导的酪氨酸－
终止密码子转换 (polyadenylation-directed conversion
of tyrosine codon to stop codon, PAY*) (图 4)。此外，研
究人员还针对人类 mRNA 和 EST(expressed sequence
tag, 表达序列标签 ) 数据库进行了全基因组水平的
搜索，分析结果发现多个可能由 PAY* 机制产生的
截短转录本，表明该机制可能是产生 C-末端截短
调控蛋白的一种常见机制。
4　EPRS的WHEP结构域参与翻译调控的功能
进化
双功能酶 EPRS 介导翻译沉默的非经典功能很
可能是在 ERS 和 PRS 两个基因通过 WHEP 结构域
发生融合后进化产生的。ERS 和 PRS 在真细菌、
古细菌、植物和真菌中是分离的、未连接的两个基
因。含有 WHEP 结构域的 EPRS 存在于多种原肢类
动物 (protostome)、后口动物 (deuterostome)， 甚至
非两侧对称动物 (nonbilaterian) 中，表明基因融合
事件最早可能发生在从真菌向刺胞动物 (cnidarian)
和两侧对称动物 (bilaterian) 进化的阶段 (约 5 000
万至 7 500万年前 )。研究人员发现在一种古老的
刺胞动物 Nematostella vectensis中存在通过可变剪
接产生的三种融合的 EPRS mRNA[6]。前两种 mRNA
对应的蛋白质分别含有单一而序列不同的 WHEP 结
构域，第一种 EPRS的WHEP结构域能结合人源
tRNA，第二种 EPRS的WHEP结构域既能结合 tRNA
又能结合人源 Cp GAIT识别元件。有趣的是，第三
种 EPRS mRNA 对应的蛋白质含有两个 WHEP 结构
域，类似于人源 EPRS的多重 WHEP 结构域 (R1和
R2)，而且仅具有结合 GAIT识别元件的能力，而
丧失结合 tRNA 的能力。同一刺胞动物物种中存
在着三种功能截然分化的 EPRS 变构体，反映了
WHEP 结构域在 ERS 和 PRS 两个催化结构域融合
后的进化阶段已经初步衍生出翻译调控功能的雏
形，也为哺乳动物 aaRS 的延伸结构域获得与氨基
酰化活性无关的新功能的假说提供了一个进化上的
佐证。
5　GAIT复合物途径的生理学功能
GAIT 途径介导的抗炎症系统不同于已知的其
他信号通路，具有若干独特的性质。以往发现的负
向调控机制通常作用于基因的 mRNA 转录。这些
机制包括磷酸酶介导的关键受体活化的激酶的失
活，例如 JAKs (Janus kinases)和 MAPKs (mitogen-
activated protein kinases)[27]、STAT1 (signal transducer
and activator of transcription 1) 转录因子的蛋白酶体
降解 [28]，以及 JAKs 被 SOCS (suppressors of cytokine
signaling) 的结合所抑制 [29]等。GAIT 途径介导的
转录后调控机制提供了一种独特的优势，即在不阻
断 mRNA 转录的前提下抑制基因的表达，譬如一
些高度稳定和较晚诱导生成的转录本。而且，GAIT
途径可以沉默多种 IFN-γ激活的转录途径所介导的
高水平转录产生的 mRNA 的蛋白质翻译，譬如
JAK-STAT 或者 C/EBP-β (CCAAT-增强子结合蛋白
β) 转录途径。GAIT 途径的主要生理学功能是防止
可能导致机体组织损伤的炎症相关蛋白质的过度积
累，降低慢性炎症反应。因组成蛋白质的遗传突变
或环境压力的刺激导致的 GAIT 途径的功能缺陷，
可能会加剧慢性炎症引起的机体失调，譬如加速肿
瘤的发生发展和导致动脉粥样硬化等心血管疾病
等。
6　研究展望
在 GAIT 途径发现后的近十五年间，对于 GAIT
系统的特征和机制的研究获得了很大进展，例如它
的蛋白质组成成分及其彼此之间的相互作用，激活
该途径的上游信号转导通路，以及若干下游含有
GAIT识别元件的 mRNA 靶的鉴定。然而，需要回
答的问题仍然比已知的答案要更多。将来需要解决
的问题和挑战包括：(1) 确定 GAIT 成员蛋白质间的
姚　鹏，等：谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶的非经典功能 ——炎症相关基因特异性的翻译沉默第6期 509
相互作用区段和因结合而导致的具体构象变化；(2)
解析前体 GAIT 复合物和四元成熟 GAIT 复合物的
晶体结构和动态结构变化；(3) 阐明催化 EPRS 磷酸
化位点 Ser999 磷酸化的激酶及其上游信号通路；(4)
鉴定前体 GAIT 复合物的功能作用；(5) 探索磷酸
酶、泛素化修饰及蛋白酶体降解系统在调控 EPRS
磷酸化和失活 GAIT 途径中的潜在作用；(6) 分析
GAIT元件附近的其他 RNA 元件的作用，例如
miRNA 靶标种子序列等；(7) 确定 EPRSN1 的潜在
表达调控和具体生成机制；(8) 通过核糖核蛋白免
疫共沉淀或者体内交联免疫共沉淀方法偶联高通量
深度测序技术在全基因组水平寻找更多 GAIT 途径
的靶 mRNA；(9) 确定 EPRS 关键磷酸化位点敲入
突变小鼠模型的炎症反应表型和其他生理病理学变
化；(10) 研究 EPRS 表达水平和翻译后修饰在动脉
粥样硬化症、肿瘤癌症，以及神经退行性疾病等一
系列重大人类疾病中的作用。我们希望通过回答以
上的一系列生物学问题可以更为清晰而系统地阐释
GAIT 途径的作用机制及其生理和病理学功能，让
我们对看家基因 EPRS 在人类疾病中的非经典功能
有更加完整和准确的认识。随着人们对哺乳动物氨
基酰 -tRNA 合成酶更加广泛和深入的研究，相信会
有更多的与酶催化功能无关的非经典的基因表达调
控功能被揭示出来，从而为人类疾病发生和治疗药
物开发提供全新的理论、思路和方法。
[参　考　文　献]
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已知中国的外来入侵物种有半数以上是陆生植物，其次是
陆生及水生无脊椎动物和微生物，有 49.3％属于无意引入和
3.1％属于自然扩散外，39.6％的物种都属于人为有意引入，
50％的外来入侵植物是作为有用植物而引进的。面对这些外来
植物所带来的效益与危害如何扬弃，其生长周期哪些环节需要
监控，目前的危害程度如何，需要权威性解释。本书以目前已
归化、已栽培一定面积、已迁徙较长时间并正常完成生活周期
的外来植物为对象，列出 827种（含亚种和变种），其中史前归
化植物 19种，来自美洲 362种，来自欧洲 144种，来自非洲
115种，来自亚洲其他地区 87种，来自大洋洲 43种，来自太
平洋岛屿 9种，来自日本 48种，实为目前中国外来植物搜罗最
为完备之书籍。书中所列某些科属也系一般他书中之所无，正
如此，遂逐一给出生物学习性、种群建立与扩散状况、原产地、
考证引入时间与途径、生态影响、危害或利用价值等信息，谨
献于植物学、生态学、农学、环境科学相关研究人员以及政府
决策部门研究与参考。
为方便读者检索，各种植物按分布区归类，并列出分科检
索表，使读者对本书所录入之各科及其系统位置一目了然；书
后附有科属名、拉丁学名和中文名索引，借可按页码查索其所
需要之植物名称及对应照片与特征，则尤应为读者所称便。
全国各大新华书店、网上书店（卓越网、当当网等）有售。
邮购：上海市钦州南路 71号，上海科学技术出版社邮购部
邮编：200235
电话：021- 64085630
何家庆 著
上海科学技术出版社 出版
ISBN: 978-7-5478-0780-4/Q ∙ 4
16 开 全彩印 746 页 定价 230 元
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