2019年8月29日,哈佛大学医学院Xu Wu教授团队在Nature杂志发表了题为Fatty acids andcancer-amplified ZDHHC19 promote STAT3 activation through S-palmitoylation的文章,发现STAT3翻译后会在SRC同源2 (SH2)域发生S -棕榈?;?,促进STAT3的二聚化和转录激活,并鉴定到ZDHHC19是一种调节STAT3棕榈?;孽;泼?。该论文首次发现脂肪酸和ZDHHC19介导的棕榈?;荢TAT3信号调控的重要因素,这为揭示棕榈?;胙字⒑桶┲⒌墓叵堤峁┝酥匾ぞ?。


哈佛首次发现棕榈?;荢TAT3信号调控的重要因素 与癌症等相关


作者首先利用蛋白棕榈?;幕Пǜ嬉蜃蛹ǖ絊TAT3翻译后会发生棕榈?;奘?,进一步在多个细胞系中使用化学报告因子分析证实了外源性表达和内源性表达的STAT3通过硫代酯键被S-棕榈?;?,而硫代酯键可被NH2OH分解(图1a)。STAT家族不同成员的棕榈?;奘纬潭却嬖诓钜?,棕榈?;–16)和硬脂?;–18)是STAT3修饰的主要?;ㄍ?b)。?;垡叶冀换皇笛橹な?,与胞质STAT3相比,核内STAT3具有更高的棕榈?;剑ㄍ?c,d)。脉冲追踪实验表明,STAT3棕榈?;陌胨テ谠嘉?.8小时,证明STAT3的棕榈?;τ诙浠校ㄍ?e)。突变分析表明,STAT3的棕榈?;坏愫芸赡芪挥赟H2结构域或C末端区域,进化上保守的C687和C712残基在该过程中不可或缺(图1f)。


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图1 STAT3在进化上保守的半胱氨酸残基(C687和C712)上发生了s -棕榈?;?


由于JAK激酶磷酸化位点(Y705)与上述两个棕榈?;坏阆喔艉芙?,作者检测了磷酸化与棕榈?;欠窕峄ハ嘤跋?。IL-6或IFNγ刺激HEK293A细胞后,细胞中STAT3棕榈?;缴仙?,而磷酸化位点的突变会导致棕榈?;较碌?,证明细胞因子诱导的STAT3磷酸化会促进其棕榈?;?,但磷酸化对于棕榈?;⒉皇潜匦璧模ㄍ?a-d)。


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图2 STAT3的磷酸化和棕榈?;茉谙赴蜃雍椭舅嵊跋煜麓俳鳶TAT3二聚化


IL-6刺激后,棕榈?;毕菪屯槐涮錝TAT3(C687S/C712S)的Y705磷酸化水平及K685乙?;讲⑽捶⑸灾浠?,但核定位受到抑制。此外,该突变体STAT3同源二聚化及STAT1-STAT3异源二聚化显著降低(图2e),而JAK1-STAT3二聚化并未发生变化。抑制STAT3中SH2结构域二聚化并不会影响STAT3的棕榈?;?。先前研究中的结构预测显示SH2结构域中具有脂质结合口袋,能发挥潜在的调节脂质-?;唇岷虾驮銮慷刍哪芰?,因此作者构建了疏水口袋缩小的突变体来限制SH2结构域的脂类结合能力,以探究其对STAT3棕榈?;投刍挠跋?。结果发现,疏水口袋缩小后STAT3的棕榈?;投刍较灾档?。上述研究表明,棕榈?;茉诓挥跋炝姿峄鸵阴;降奶跫?,通过SH2结构域中的脂类结合口袋调节STAT3的二聚化。此外,小鼠胚胎成纤维细胞中的研究与HEK293A细胞研究结果类似,同样证明细胞因子刺激可以促进STAT3的棕榈?;?,而棕榈?;赡苁窍赴蜃哟碳さ囊恢终蠢⌒в?,能进一步促进STAT3的二聚化与激活。


高脂肪饮食(high-fatdiet,HFD)曾被证明可以增加游离脂肪酸的水平,并与动物体内STAT3的激活和炎症有关。作者发现,与正常脂肪饮食(normal-fat diet,NFD)相比, HFD在小鼠肺和肝组织中显著促进了STAT3的棕榈?;土姿峄ㄍ?f),表明HFD能通过促进STAT3的磷酸化和棕榈?;醇せ頢TAT3信号。外源性棕榈酸能通过剂量依赖性方式上调STAT3的棕榈?;?,并能诱导STAT3的二聚化,而NH2OH处理或棕榈?;坏阃槐洌–687S)会几乎完全抑制棕榈酸处理导致的STAT3二聚化(图2g-j)。此外,IL-6和棕榈酸联合处理可进一步增强STAT3的转录活性,而棕榈?;坏阃槐洌–687S/C712S)会完全阻滞该效应。上述研究表明,棕榈酸能够激活STAT3,并与细胞因子协同作用,通过棕榈?;黾覵TAT3的转录活性;而受到脂肪酸和细胞因子刺激后,STAT3棕榈?;土姿峄槌傻恼蠢〉鹘谛藕拍艿贾耂TAT3转录的强烈激活。


STAT3的棕榈?;侨绾伪坏骺氐哪??作者接下来对潜在的调控STAT3棕榈?;淖亻吊u;泼附辛松秆『图?,发现ZDHHC19与STAT3的棕榈?;钚砸恢?,并能与STAT3结合。ZDHHC19敲低会抑制STAT3的棕榈?;?,其敲除会导致IL-6及脂肪酸诱导的STAT3靶基因表达的缺失,证明ZDHHC19是调节STAT3棕榈?;墓丶亻吊;?,而在棕榈酸诱导的STAT3活化过程中,ZDHHC19是必不可少的。进一步研究发现,ZDHHC19在Pro18和Pro20附近含有高度保守的SH3结合位点,并能与JAK-STAT信号通路中组装信号复合物的关键转导蛋白GRB2的SH3结构域互作。在细胞因子的刺激下,GRB2可能作为一个关键的适配蛋白,通过其SH3结构域将ZDHHC19引入膜复合物,并促进ZDHHC19-STAT3的高效结合和STAT3棕榈?;?。


作者随后探究了ZDHHC19和ZDHHC19介导的STAT3棕榈?;诓±碜刺碌淖饔?。作者通过生物信息学分析发现ZDHHC19在基因组中定位于在多种癌症发生中表达上升的3q26-29扩增子上,与3q29扩增子中的STAT3靶基因BCL2和BCL2L1存在很强的相关性且与已知致癌基因呈共现性。ZDHHC19高表达与癌症患者生存质量差有显著相关性,免疫组化实验发现ZDHHC19蛋白表达水平上升与细胞核STAT3染色呈显著相关(图3a)。在一些肺鳞状细胞癌(lung squamous cellcarcinoma,LSCC)细胞系中,敲低ZDHHC19表达会显著抑制STAT3棕榈?;捌浜硕ㄎ?,并能抑制细胞增殖及癌细胞转移。LSCC细胞系肿瘤球的形成会伴随着一些干细胞标记物的高表达,而棕榈酸处理会显著促进KNS62细胞肿瘤球的形成,表明脂肪酸可以增强LSCC的干细胞特性(图3b,c)。在正常条件或棕榈酸刺激下,STAT3或ZDHHC19的缺失会显著抑制肿瘤球的形成。而STAT3C的异位表达可以挽救ZDHHC19敲低在肿瘤球形成中的抑制作用。上述结果表明,ZDHHC19-STAT3信号在维持LSCC干细胞性上发挥了重要作用。通过在小鼠中构建HCC95细胞的异种移植模型,作者验证了ZDHHC19在体内状态下LSCC发生中的作用。研究发现ZDHHC19敲除可明显抑制HFD诱导的肿瘤生长(图3d),降低HFD诱导的STAT3棕榈?;?、核定位和靶基因表达,减少ki -67阳性增殖肿瘤细胞(图3e)。而在ZDHHC19高表达LSCC患者来源的异种移植(PDX)模型中,HFD的摄入显著促进了PDX肿瘤的生长(图3f),并与STAT3靶基因表达上调、STAT3棕榈?;秃硕ㄎ辉黾哟嬖谙喙匦?。此外,棕榈酸能显著增强PDX来源的原代LSCC细胞中肿瘤球的形成,而抑制ZDHHC19的表达可以明显抑制该增强趋势(图3f)。上述研究表明,ZDHHC19介导的STAT3棕榈?;贚SCC和HFD相关的体内肿瘤发生中发挥了重要作用。


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图3 ZDHHC19在LSCC中表达上升,并在体内和体外条件下促进肿瘤发生


综上所述,本研究证明STAT3的S-棕榈?;云渫炊刍?、核定位以及转录激活至关重要,棕榈?;土姿峄奘瓮ü蠢⌒藕诺骺豐TAT3,进而促进脂肪酸诱导的STAT3活化和炎症发生。本文揭示了脂肪酸-ZDHHC19-STAT3信号轴在炎症信号及肿瘤发生中的作用,证明蛋白棕榈?;奘卧谥琢龇⑸蟹⒒恿酥匾饔?。


研究背景


信号转导因子和转录激活因子3(Signal transducer and activator of transcription 3, STAT3) 是一种进化上保守的转录因子STAT家族成员,在细胞命运决定、炎症发生和免疫调节等过程中发挥了重要作用。细胞因子和生长因子通过受体相关的Janus激酶(JAK)催化STAT3发生磷酸化,活化后的STAT3聚合成同源或异源二聚体,随后入核与靶基因启动子序列的特定位点结合,促进基因转录。


除研究较多的磷酸化、糖基化、乙?;头核鼗确牒笮奘瓮?,翻译后的S-棕榈?;騍-脂肪?;奘文芙舅幔ㄈ缱亻邓狨ィ┩ü蝓ゼ布坌奘胃阶旁诘鞍字实陌腚装彼岵谢?,可以在正常生理和病理条件下调控蛋白转运和细胞定位等多种过程。


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