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Nat Comm | 丛枫团队发现维持Axin蛋白稳定去泛素化酶
2019-09-20

责编 | 酶美


Wnt/β-catenin信号通路在发育以及组织稳态方面起着关键作用,大量研究发现该信号通路的异常转导会导致包括癌症在内的众多疾病【1, 2】。Wnt信号可以通过影响β-catenin降解复合体的活性,严格控制转录因子β-catenin在细胞内的含量。在没有激活Wnt信号条件下,β-catenin与Axin, APC,GSK3以及CK1形成一个多蛋白复合体(β-catenin降解复合体),并被该复合体内磷酸激酶(GSK3和CK1)磷酸化,这种磷酸化形式的β-catenin随后被泛素降解酶识别并降解。一旦激活Wnt信号,下游一系列及联反应会迅速抑制β-catenin降解复合体的活性,使β-catenin在细胞内累积,继而与TCF/LEF转录因子在细胞核内形成转录复合体,启动Wnt/β-catenin靶向基因的表达【3】

 

 

Axin作为一个脚手架蛋白,可以直接与GSK3,CK1,APC以及β-catenin相互作用,促进β-catenin降解复合体的形成;同时,相比于其他β-catenin降解复合体组成成分,Axin在细胞内含量较少,因此,Axin又是β-catenin降解复合体形成的限速蛋白。基于以上特点,任何影响细胞内Axin蛋白含量的机制都有可能会影响Wnt/β-catenin信号通路的活性。Feng Cong课题组早些时间通过高通量小分子化合物筛选和基因筛选,分别报道了两种相互独立的泛素酶介导的Axin降解途径:TNKS/RNF146介导的PARsylation修饰的Axin降解【4,5,6】,以及SIAH介导的Wnt刺激导致的Axin降解【7】(见BioArtXXXX 2017-6-5),但是稳定Axin蛋白的去泛素酶依旧不清楚。

 

9月13日,美国诺华生物医药研究所Feng Cong(丛枫)课题组,在Nature Communications发表了题为 USP7 inhibits Wnt/β-cateninsignaling through promoting stabilization of Axin的研究论文。该研究通过全基因组CRISPR筛选首次发现敲除USP7可以显著增强Wnt信号通路的活性。

 

 

后续的研究进一步证明,USP7可以通过其TRAF结构域直接与Axin相互作用,促进Axin蛋白的去泛素化修饰,稳定Axin的蛋白,从而抑制Wnt/β-catenin信号通路的活性。随后作者利用多种细胞模型证明,通过基因敲除或小分子化合物抑制USP7的去泛素酶活性可以显著增强Wnt/β-catenin信号通路活性,例如,USP7小分子抑制剂可以通过激活小鼠多能干细胞的Wnt/β-catenin信号通路活性促进其早期骨细胞分化,激活的Wnt/β-catenin信号也会抑制脂肪细胞的分化。

 

 

尽管大量抑制Wnt/β-catenin信号的小分子已经被发现和报道,但是除了GSK3抑制剂外,鲜有小分子化合物可以激活Wnt/β-catenin信号通路,该项研究工作为利用USP7小分子抑制剂治疗低Wnt信号活性导致的相关疾病提供了理论依据。

 

该发现和近期两篇关于USP7在Wnt/β-catenin信号中作用的文献结论相悖8,9,他们认为USP7可以通过稳定β-catenin的蛋白从而增强Wnt/β-catenin信号的活性,作者认为有以下几方面的潜在因素导致了这种结论:

 

1)USP7敲除可以迅速降低细胞内HDM2的蛋白水平,使p53蛋白快速累积,最终激活细胞凋亡程序,而细胞凋亡会导致大量基因表达异常,因此可能会导致USP7缺失抑制Wnt/β-catenin靶基因表达的假阳性结论;

2)两篇文献都使用了早期USP7小分子抑制剂作为研究工具,而最近的研究发现早期USP7小分子抑制剂存在大量的脱靶现象。作者使用了最新一代USP7小分子抑制剂,这些新型小分子抑制剂的特异性和抑制能力相比早期抑制剂有多个数量级的提高。文中作者系统的对比了新一代和早期USP7小分子抑制剂对Wnt报告基因以及野生型和USP7缺失细胞增殖能力的影响,试验结果证明:新一代的USP7小分子抑制剂都具有激活Wnt报告基因的能力,同时对USP7缺失细胞没有生长抑制现象;早期USP7小分子抑制剂明显降低了Wnt报告基因的活性,但在同样浓度条件下也抑制了USP7缺失细胞的增殖,暗示其脱靶效应。这些实验结论进一步的说明我们需要谨慎而全面的分析、解释利用早期USP7小分子抑制作为试验工具所观察到的现象;

3) 作者利用多种分子生物学手段证明无论体内、体外,USP7与Axin都存在直接相互作用,但是在同样条件下作者并没有发现USP7和β-catenin存在有清晰的相互作用;

4)通过体外重建去泛素化实验,作者进一步证明利用重组USP7可以有效的移除Axin上的多聚泛素化修饰,但是在同样试验条件下,并没有发现对β-catenin上的多聚泛素化有显著影响。

 


据悉,该论文主要由前诺华生物医学研究所丛枫实验室博士后计磊完成,丛枫博士为本论文的通讯作者,该项研究工作也得到了诺华多个研发部门的支持与帮助。

 
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12143-3


制版人:小娴子


参考文献



1. Clevers,H. Wnt/beta-catenin signaling in development and disease. Cell 127,469–480 (2006).

2. Nusse,R. & Clevers, H. Wnt/beta-catenin signaling, disease, and emergingtherapeutic modalities. Cell 169, 985–999 (2017).

3. MacDonald,B. T., Tamai, K. & He, X. Wnt/beta-catenin signaling: components,mechanisms, and diseases. Dev. Cell 17, 9–26 (2009).

4. Huang,S. M. et al. Tankyrase inhibition stabilizes axin and antagonizes Wntsignalling. Nature 461, 614–620 (2009).

5. Zhang,Y. et al. RNF146 is a poly(ADP-ribose)-directed E3 ligase that regulates axindegradation and Wnt signalling. Nat. Cell Biol. 13, 623–629 (2011).

6. Chen,B. et al. Small molecule-mediated disruption of Wnt-dependent signaling intissue regeneration and cancer. Nat. Chem. Biol. 5, 100–107 (2009).

7. Ji,L. et al. The SIAH E3 ubiquitin ligases promote Wnt/beta-catenin signalingthrough mediating Wnt-induced Axin degradation. Genes Dev. 31, 904–915 (2017).

8. An,T. et al. USP7 inhibitor P5091 inhibits Wnt signaling and colorectal tumor growth. BiochemPharm. 131, 29–39 (2017).

9. Novellasdemunt,L. et al. USP7 is a tumor-specific WNT activator for APC-mutated colorectalcancer by mediating beta-catenin deubiquitination. Cell Rep. 21,612–627 (2017)

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