核糖核苷酸还原酶（RNR或RR）参与核苷酸代谢，将核苷酸催化生成脱氧核苷酸。这是产生DNA合成前体中的限速步骤，并且维持了dNTP池的相对比率，是DNA生物合成、修复和复制所必需的。哺乳动物的RR包含两种不同的同源二聚体亚基，即大亚基RRM1和小亚基RRM2。在整个细胞周期中，RRM1的表达水平过量并且保持恒定，而RRM2的表达水平却是波动的。可见，RRM2的表达在细胞周期中受到严格控制。许多研究发现，RRM2与肿瘤抗性、细胞程序性死亡以及肿瘤免疫有着密切的联系。因此，需要了解RRM2的表达调控模式以及在肿瘤中的作用，为RRM2靶向治疗提供分子基础。
药物化学专业在读研究生左赞文为该文章的第一作者。作者首先阐述了RRM2的结构特征，然后讨论了该基因从转录到翻译的过程中在多个水平上的调控方式，紧接着作者对该基因与肿瘤耐药性、调节细胞死亡和肿瘤免疫的相关性进行了分析，最后总结了基于不同机制开发和设计靶向RRM2的策略。
图1 RRM2的结构特征
（图源：Zan wen Zuo, et al., Genes & Diseases, 2023）
（1）启动子中的核心元件。RRM2的两个转录本由两个独立的启动子表达[3]。对于第一个转录本，从-800到+1 bp的片段贡献了最高的启动子活性。从-125 bp到+1 bp的启动子片段包含三个CCAAT序列和一个非典型的TATA-box。CCAAT序列负责RRM2的大量转录和S期特异性表达。非典型TATA-box的转录效率只有共识TATA-box序列的25%。
（2）甲基化。组蛋白甲基化通过调节基因表达参与了多种细胞过程和疾病。H3K36me3对RRM2转录的调节也有积极作用。SET-domain 2蛋白（SETD2）负责H3K36的甲基化。在人类骨肉瘤U2OS细胞中，通过SETD2敲低或利用CRISPR敲除SETD都会降低RRM2 mRNA和蛋白水平[4]。减少H3K36me3也抑制了RRM2的水平。
（3）信号通路。在MDA-MB-231细胞中，RRM2的抑制会降低Akt的磷酸化水平，这表明RRM2可以调节PI3K/Akt通路[5]。当RRM2沉默时，PI3K/Akt通路激动剂IGF1可恢复Akt的磷酸化水平。这表明PI3K/Akt途径可以由IGF1/IGF1R和RRM2调节。在乳腺癌细胞系MCF-7中，si-RRM2细胞中MEK、ERK和p38的磷酸化水平下降，这表明MAPK信号通路被RRM2下调所抑制；另一方面，MEK抑制剂trametinib抑制了IGF1诱导的RRM2上调，表明RRM2的表达受MEK/ERK/JUN的调节[6,7]。
图2 RRM2的调控机制
（图源：Zan wen Zuo, et al., Genes & Diseases, 2023）
（4）转录因子。E2F家族包括八个不同的基因，编码转录激活剂如E2F1和抑制剂如E2F4。E2F1诱导RRM2的表达，E2F4抑制RRM2启动子的活性[7,8]。E2F4有一个核输出信号，从而主要存在于细胞质中。E2F4与视网膜母细胞瘤蛋白家族成员相关，也被称为口袋蛋白如p107和p130。当口袋蛋白被磷酸化时，复合物解离，E2F4被释放，导致细胞质中的E2F4逐渐增加。E2F1有一个核定位信号。当被激活时，E2F1诱导细胞周期相关基因和S期促进基因的表达，然后细胞进入S期。
图3 E2F1和E2F4调控RRM2转录的作用机制
（图源：Zan wen Zuo, et al., Genes & Diseases, 2023）
（5）非编码RNA。LncRNAs与miRNAs相互作用，导致释放miRNA的目标基因。利用生物信息学和实验方法，在乳腺癌中一些调控RRM2基因的lncRNAs和miRNAs已经被确定，如表1所示。
表1 乳腺癌细胞中lncRNA和miRNA调控RRM2基因
（表源：Zan wen Zuo, et al., Genes & Diseases, 2023）
（6）蛋白质合成。在真核生物中，蛋白质的合成受真核翻译起始因子（eIFs）和翻译抑制因子的调节。在横纹肌肉瘤细胞中，mTORC1/eIF-4E cap依赖性蛋白翻译参与了对RRM2表达的调节[9]。在肉瘤细胞系中也有类似的结果，其中4E-BP1通过抑制mTORC1/2而被激活，从而抑制RRM2的翻译。此外，4E-BP1的转录可以被MYBL2诱导。因此，MYBL2在转录和翻译水平上同时调控RRM2的表达。研究发现，eIF3a对HeLa和NIH3T3细胞的RRM2表达有积极的调节作用。耗尽S6K1会导致RRM2的上调。
（7）翻译后修饰。蛋白质翻译后修饰（PTMs）是蛋白质结构变化的关键步骤，参与多种生物过程。赖氨酸乙酰化是一种多功能的PTM，参与了许多重要的细胞过程。SIRT2是是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性的去乙酰化酶。RRM2的乙酰化/脱乙酰化是RR活性的一个分子开关[10]。RRM2在K95处的乙酰化破坏了其同源二聚体，导致RR的失活；而SIRT2使RRM2去乙酰化，从而激活RR。
（8）降解。RRM2受泛素化-蛋白体系统（UPS）的调节[11,12]。APC/CCdh1可以识别位于RRM2的N端保守的KEN盒，与之结合并将其泛素化。研究还发现，在G2期，CDK介导的Thr33磷酸化后，RRM2通过SCFCCNF降解，从而维持了dNTP池的平衡和基因组的稳定。CCNF以ATR依赖的方式下调，使得RRM2在应对DNA损伤时积累，从而高效修复DNA。CCNF过量表达会降低RRM2的蛋白水平。S期激酶相关蛋白2（Skp2）也是SCF复合体的一部分。Skp2和RRM2在抗羟基脲（HU）的细胞系KB中同步过表达。并且Skp2与RRM2直接相互作用，增强了RR的活性。WEE1是一种酪氨酸激酶。WEE1的抑制会激活CDK1/2，从而增加RRM2在Thr33的磷酸化，导致促进RRM2的降解。
（1）酶功能。DNA复制是癌症的一个标志。一些用于癌症治疗的化疗药物，通过干扰DNA复制而发挥抗肿瘤功能。RRM1的激活是癌细胞获得耐药性的一个重要标志。因此，RRM2的过度表达已被证明是引起耐药性的一个潜在因素。在抗HU15倍的人KB细胞系中，RRM2的基因扩增，mRNA和蛋白水平增加，RR的活性增强。抑制RRM2可以克服纤维肉瘤、胰腺癌等的耐药性，提高化学敏感性。一些研究还发现，MMR2是HU、他莫昔芬和阿霉素抗性的一个标志。
（2）非酶功能。研究表明，RRM2参与了铁死亡作用[13]。而RRM2也被认为是前列腺癌和肺腺癌的铁摄取相关代谢基因。有报道称，RRM2在肝癌细胞和肺腺癌中是一个内源性的铁萎缩抑制因子，RRM2敲除后可诱导铁萎缩。在肝癌细胞中，RRM2在T33的磷酸化促进了GS蛋白的表达，而GS蛋白对GSH的合成至关重要。RRM2的去磷酸化增强了RRM2和GS的相互作用，同时，触发了蛋白酶体的降解，从而导致它们的降解。基于实验和生物信息学研究，证实RRM2与肿瘤免疫之间存在关联，RRM2有助于免疫逃逸[14]。免疫检查点抑制是改善患者预后的有效治疗手段，如程序性细胞死亡1/程序性细胞死亡配体1（PD-1/PD-L1）阻断。RRM2沉默会减少、而过表达会增加786-O和A498细胞中PD-L1的mRNA和蛋白水平。
RRM2被认为是诊断、治疗和预后预测的一个有前途的靶标，对DNA复制和癌细胞增殖至关重要。RRM2调控的分子机制极其复杂。例如，RRM2可以受某个途径调节，也可以调节该途径，形成反馈信号。在从转录到翻译的过程中，几乎每一个步骤都会发生调控。尽管化疗在治疗癌症和防止其复发和扩散方面具有重要作用，但耐药性是主要问题。在乳腺癌细胞的治疗中，RRM2上调，参与了对GTI-2040、他莫昔芬、阿霉素和顺铂的抗性。获得性抗性很容易被RRM2的抑制所克服。然而，许多RRM2抑制剂本身会促进化疗耐药性，而且无效果或有副作用。因此，需要继续努力开发和设计有效且毒性较小的RRM2抑制剂。天然产物也可以成为抗肿瘤药物的来源。它们具有明显的优势，如安全、副作用少、毒性低。除了使用小分子化合物或天然产品的传统疗法外，基因疗法，如使用包括lncRNA和miRNA在内的基于RNA的疗法，为治疗疾病创造了一个新途径。深入了解RRM2的调控机制将促进我们对肿瘤发展和抗性的理解。
