Cell:NF-kB 105蛋白泛素化激活新机制

  NF-kB是一类十分重要的因子,它参与了包括免疫与炎症反应,细胞存活与凋亡,增殖分化等过程。150年前左右,Rudolf Virchow发现了淋巴细胞向肿瘤内部浸润的现象,从而提出了慢性炎症与肿瘤恶化之间的联系。最近的一系列研究发现NF-kB参与了调控这一联系的内在机制。

  NF-kB在肿瘤发生过程中的作用十分复杂。一些研究发现NF-kB在肿瘤细胞内部大量表达,从而提高了抗凋亡的水平(如X-IAP等);然而,另外一些研究则认为NF-kB具有抗肿瘤的作用。例如,NF-kB被发现能够T细胞激活后的凋亡反应。

  NF-kB家族的基本以异源二聚体的方式存在。其中一个亚基为p52/p50蛋白,它们分别由p100/p105蛋白经过泛素介导的剪切过程由未激活状态变为激活状态。另外一个亚基由Rel家族蛋白构成(RelA-p65,RelB,c-Rel)。有时候p52与p50能够相互结合形成同源复合体,但这种复合体由于缺少反式激活结构域而没有调控活性。在未激活状态下,NF-kB停留在胞浆中,并通过锚蛋白重复序列(ankyrin repeats)与IkB蛋白结合,保持状态。许多不同种的胞外刺激信号能够促进IkB蛋白的降解,从而NF-kB二聚体进入胞内调控功能。

  最近一期的《cell》上,来自以色列的科学家Aaron Ciechanover等人发表了他们对于p105蛋白切割的新机制的研究,并进一步说明了这一机制对于肿瘤的重要作用。

  由于目前为止,具体介导p105蛋白切割的E3泛素连接酶还没有鉴定出来,作者因此设计了非常系统的体外纯化方法:以兔源网织红血球细胞裂解液为样本,经过一系列色谱纯化步骤分成量由小到大的若干组分,然后利用体外重建的系统检测这些组分是否具有泛素化标记p105蛋白的能力。在有性泛素连接酶活性的组分中进一步通过质谱的方式对其中的蛋白质成分进行鉴定。通过最终的序列对比,作者们发现了其中有相当多的多肽与KPC1蛋白序列相符(58条),而且覆盖了整个阅读框(opening reading frame)的将近一半,另外也有相当一部分多肽序列属于KPC2蛋白。这一方法预示了KPC对p105泛素化的作用。

  KPC的全称叫做KIP1 ubiquitination promoting complex,它是一类E3连接酶。为了证明KPC对p105蛋白的泛素化连接作用,作者利用体外重建系统将纯化得到的KPC1与体外翻译得到的 S35标记的p105蛋白共同孵育。在有E1与E2存在的情况下,KPC1能够引起p105的泛素化,而其酶活性缺失突变体则没有这一功能。

  为了证明KPC1在细胞中也有此活性,作者在HEK293细胞中过表达了flag-p105与HA-ubiquitin,并分别过表达或了KPC1的含量(分别为myc-KPC1或siRNA-KPC1)。免疫共沉淀实验结果显示:KPC1的过表达能够明显引起p105的泛素化,并能够导致p105的切割。进一步的免疫共沉淀实验也发现了KPC1与p105的相互作用。

  接下来,作者通过RNA干扰的方式了HEK细胞内源KPC1的活性,生化检测结果显示:p105的切割明显受到了影响。为了探究这一作用在受到上游信号刺激时是否发生变化,作者向HEK293系统中加入了稳定激活的IKKb蛋白。检测结果显示:IKKb的加入能够增强KPC1的切割活性,这一活性也能被siRNA所。之后,作者利用人源的单倍体细胞系HAP1,并通过CRISPR-cas9工具分别敲除了其中的KPC1或KPC2。之后,作者将两株突变株与野生型分别接受TNF-a刺激或对照处理。生化检测结果显示:TNF-a刺激后野生型细胞出现了p105的切割,而这一现象在突变体细胞系中受到了。这些实验结果说明了KPC蛋白对于p105的切割在稳态下与激活状态下均可发生。为了进一步研究KPC切割p105的内在机制,作者检测了稳定活化IKKb存在的条件下KPC1与p105的相互作用。结果显示:在有稳定活化的IKKb的存在条件下,KPC1与p105的相互作用得到了增强。

  接下来,作者研究了KPC2在此过程中的作用。通过体外重组系统以及细胞水平的生化检测实验,作者发现KPC2能够减弱KPC1对p105的泛素化作用。

  之后,作者通过突变实验得出:KPC1对于p105的泛素化修饰可能发生在p105的C端。由于p105的C端包括许多不同的结构域,作者通过对半截断的突变实验证明p105蛋白的泛素化与其501-969之间的序列有关,而与其N端1-434之间的序列没有关系。进一步的突变实验锁定了p105蛋白C端的锚蛋白重复序列(AR)在其泛素化过程中的作用。

  到此为止,作者清楚地了NF-kB p105蛋白泛素化切割的工作机制。那么这一机制对于其功能的实验又有什么影响呢?作者通过体外转染一系列不同的癌细胞系,发现KPC1的过表达能够细胞的生长,而转染没有酶活性的突变体KPC1则没有这一效果。说明KPC1的连接酶活性能够肿瘤的发生。最后,作者检测了不同阶段的头颈癌样本中KPC1以及p50的含量,结果显示:随着病情的恶化,KPC1以及p50的活性逐渐降低。这一结果也符合KPC1肿瘤发生的内在作用。

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