Gene & Dev丨潘多加课题组鉴定一条新的肿瘤抑制信号通路

肿瘤抑制基因 （Tumor suppressor gene） 通过抑制细胞生长和增殖而确保正常组织生长，它们和促癌基因 （Oncogene） 相互制约从而一起构成了癌症研究中的两大主角。肿瘤抑制基因的突变或失活可导致包括肿瘤在内的一系列疾病的发生。大部分的肿瘤抑制基因是采用人类遗传学的方法通过对癌症病人的遗传分析发现的。鉴定肿瘤抑制基因的另一个重要方法是基于模式生物的遗传筛选，比如Hippo信号通路中的肿瘤抑制基因就是通过遗传学筛选首先从果蝇中发现的。

2024年8月13日，美国德克萨斯大学西南医学中心的潘多加院士团队在Genes & Development上在线发表了题为Hyd/UBR5 defines a tumor suppressor pathway that links Polycomb repressive complex to regulated protein degradation in tissue growth control and tumorigenesis的研究论文。该研究综合利用果蝇遗传学筛选、发育生物学、细胞生物学以及生物化学的方法，揭示一条新的肿瘤抑制信号通路。

为了发现新的肿瘤抑制基因，作者构建了带有纯合子突变组织的遗传镶嵌体 （genetic mosaic） 果蝇幼虫眼盘 （eye disc，其最终会发育为果蝇成虫的复眼） 。肿瘤抑制基因的纯合子突变组织会过度生长，从而导致果蝇复眼以及周围头皮组织增生，使得果蝇头部变大。以此为基础的大规模遗传筛选鉴定出了两个位于果蝇二号染色体上的新突变，它们都显著地导致了果蝇头部变大（图1）。遗传分析发现这两个突变都影响了同一个基因lin。lin最早是由1995年诺贝尔生理医学奖获得者Christiane Nüsslein-Volhard和Eric F. Wieschaus发现的一个控制果蝇胚胎发育的体节极性基因 （segment polarity gene） ，后来研究发现Lin蛋白质和两个锌指蛋白质 （zinc finger protein） Bowl和Drm共同调控细胞分化。其中，Lin直接结合Bowl并通过未知机制抑制Bowl蛋白质水平，而Drm则和Bowl竞争结合Lin从而增加Bowl蛋白质水平。作者发现lin突变组织的增生完全依赖于Bowl蛋白质的非正常积累。由于以往的研究并没有发现lin是一个肿瘤抑制基因，因此作者分析了背后原因。以往研究所采用的都是无效突变 （null mutation） ，其不能产生任何Lin蛋白质从而完全丧失调控果蝇细胞分化的功能，导致突变细胞在发育后期不能存活；而作者鉴定出来的都是错译突变 （missense mutation） ，其仅影响了Lin调控组织生长的功能而不影响其调控细胞分化的功能，因此细胞能够存活并过度增殖。lin这个特性在一定程度上类似于依赖于基因剂量 （Gene dosage-dependent） 的肿瘤抑制基因。

图1. lin基因突变导致果蝇组织增生以及头部显著变大。

作者通过生物化学研究发现Lin通过诱导Bowl泛素化降解来抑制其蛋白质水平。由于Lin不包含有任何已知的与泛素化相关的结构域，作者猜测Lin可能招募一个E3泛素连接酶来降解Bowl。采用果蝇细胞系RNAi干扰的方法，作者从果蝇所有的179个E3泛素连接酶中发现只有Hyd （Hyperplastic discs） 的敲低会抑制Lin诱导的Bowl降解。有趣的是，Hyd是首个在果蝇里鉴定出来的肿瘤抑制因子，发现于1977年，但是Hyd如何抑制组织生长尤其它的关键底物至今未知。作者通过构建遗传镶嵌体发现，与lin突变相似，hyd突变也导致Bowl蛋白质水平显著上升，并且hyd突变组织的增生和其他发育缺陷完全依赖于Bowl。这些结果表明Bowl是一直在寻找的肿瘤抑制因子Hyd的关键底物。

蛋白质互作研究发现Lin同时结合Bowl和Hyd，但是Bowl不能直接结合Hyd，因此Lin是一个底物接头蛋白 （substrate adaptor） ，起着链接Bowl和Hyd的作用。对应的是，实验室通过遗传筛选鉴定出的两个Lin错译突变体都减弱了Hyd和Lin的相互作用，其中一个突变体还减弱了Lin和Bowl的相互作用。Lin虽然也能结合Drm，但Lin并不能诱导Drm降解，相反增加Drm能抑制Lin-Hyd诱导的Bowl泛素化降解。结构功能分析发现Bowl带有一个保守的泛素化位点，Drm缺少这个位点因此不能被Lin-Hyd降解，但是如果将Bowl的泛素化位点加到Drm上后就能被Lin-Hyd降解。因此Drm作为假底物 （pseudosubstrate） 能够保护Bowl不被Lin-Hyd降解（图2）。这些蛋白质一起构成了一条新的生长调控通路Drm-Hyd-Lin-Bowl。

图2. 底物接头蛋白Lin招募Bowl到E3泛素连接酶Hyd从而促进Bowl降解，而Drm与Bowl竞争结合Lin从而保护Bowl不被降解。

为了鉴定这条通路的上游调控机制，作者分析了所有已知的果蝇肿瘤抑制基因，结果发现表观遗传调节因子多梳抑制复合物1（Polycomb Repressive Complex 1，PRC1） 的突变导致Bowl蛋白质水平显著上升。进一步分析发现PRC1突变细胞中bowl的mRNA水平并没有上升，但是drm的mRNA水平显著上升。因此PRC1是影响这条通路的一个重要上游因子，它通过抑制drm的基因转录来调控Drm-Hyd-Lin-Bowl通路的活性（图3）。

图3. 正常情况下PRC1抑制drm基因转录从而抑制Bowl蛋白质水平，而PRC1突变会增加drm基因转录从而增加Bowl蛋白质水平。

重要的是，这条肿瘤抑制通路中的几个关键基因在人类基因组里高度保守。其中Bowl的同源物为锌指蛋白质OSR1和OSR2，Hyd的同源物为E3泛素连接酶UBR5，Lin的同源物为LINS1。作者的初步研究表明，LINS1能在293细胞里通过UBR5抑制OSR1/2的蛋白质水平。有趣的是30%的前列腺癌中有OSR2基因扩增，并且作者发现过表达OSR2能增加前列腺癌细胞的雄激素受体独立性 （androgen receptor independence） 。

综上所述，这项研究在果蝇里鉴定出了一条新的肿瘤抑制信号通路Drm-Hyd-Lin-Bowl，这条通路上游受表观遗传调节因子PRC1的调控，其下游通过促进Bowl蛋白质降解从而抑制组织生长。初步研究表明该通路可能在人类肿瘤发生里面也扮演重要角色。

德克萨斯大学西南医学中心生理学系主任、霍华德休斯医学研究所研究员、美国国家科学院院士潘多加教授为该论文通讯作者，文沛博士，雷辉燕博士以及邓华博士为共同第一作者。实验室助理教授郑勇刚博士，以及分子生物学系的牟平教授课题组为本研究提供了大量帮助。潘多加教授团队多年来一直综合利用果蝇遗传学筛选和小鼠模型来探索动物组织生长控制机制及其在癌症发生中的作用，欢迎感兴趣的同学联系潘教授从事博士后研究。

实验室主页: https://labs.utsouthwestern.edu/pan-lab

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