周文超/卞修武/张爱丽团队发现胶质瘤等癌症治疗的潜在新靶点

2024-01-23  来源：生物世界

胶质瘤干细胞（GSC）位于肿瘤细胞分化层级的顶端，在胶质母细胞瘤GBM的发生、发展和治疗抵抗中发挥关键作用。蛋白翻译后加工，包括蛋白构象变化和蛋白翻译后修饰，可能在肿瘤细胞的干性获得和维持中扮演重要角色。

蛋白构象变化，特别是由肽基脯氨酸顺反异构酶（PPIases）催化的蛋白异构化，在肿瘤细胞生命活动的多个方面发挥关键调节作用。Pin1是在肿瘤中研究较多的PPIase，在多种肿瘤中上调表达，已被发现超过100个底物靶蛋白，被公认为肿瘤治疗的关键药物靶点。然而Pin1高表达迄今主要被归咎于其转录调控，蛋白稳定性调控在其中的作用知之甚少。目前缺乏能够靶向Pin1蛋白表达的抗癌策略。

蛋白的SUMOylation（SUMO化修饰）是近年来备受关注的一类蛋白翻译后修饰，高度的蛋白SUMO化促进了结直肠癌、乳腺癌和脑癌等多种肿瘤发展。然而SUMO化修饰机制在正常细胞生命活动中不可或缺，关键SUMO催化酶缺失导致小鼠胚胎致死，为了避免毒副作用，需要针对SUMO化发掘更有效和安全的药物靶点。

近日，中国科学技术大学周文超课题组、卞修武院士课题组联合安徽医科大学张爱丽课题组，在 Nature Communications 期刊发表了题为：Stabilization of Pin1 by USP34 promotes Ubc9 isomerization and protein sumoylation in glioma stem cells 的研究论文。

该研究发现，Pin1蛋白在胶质瘤干细胞（GSC）中被去泛素化酶USP34稳定而高表达，且Pin1通过催化已知唯一的SUMO E2酶Ubc9来促进GSC中的全局蛋白SUMO化，并揭示了调控Pin1/USP34、Pin1/Ubc9结合的多个激酶，为靶向Pin1蛋白和全局蛋白SUMO化治疗包括胶质瘤在内的癌症提供了多个潜在药物靶点，具有十分重要的基础与转化意义。


课题组前期研究中已发现Pin1在GSC中高表达且促进蛋白SUMO1型SUMO化，从而促进GSC维持和GBM发展。该研究中对Pin1上下游分子机制进行了深入探讨。研究人员使用蛋白酶体抑制剂MG132处理GSCs和对应的非干性肿瘤细胞NSTC，发现NSTC中Pin1蛋白表达显著上调至与GSCs一致水平；同时发现Pin1的泛素化水平在NSTC中显著高于GSC；推断Pin1蛋白表达受到泛素-蛋白酶体系统调控。通过免疫沉淀和蛋白质谱，在GSC中发现与Pin1蛋白结合的泛素化酶USP34；通过一系列生化实验，验证了USP34催化Pin1蛋白去泛素化而稳定，鉴定到Pin1上K117的泛素化是USP34的作用位点；发现Pin1上S65位点被Plk1激酶磷酸化而促进Pin1与USP34互作。

研究团队发现，与Pin1的促癌活力一致，能够促进Pin1蛋白稳定高表达的USP34同样促进GSC维持和GBM生长。另一方面，敲低USP34显著降低了Pin1介导的SUMO1型蛋白SUMO化修饰，但SUMO2/3型蛋白SUMO化修饰不受影响。通过蛋白序列分析，研究人员推断Ubc9是Pin1的靶蛋白；免疫共沉淀验证了Ubc9和Pin1结合；体外异构化实验验证了Pin1催化Ubc9蛋白异构化；进一步发现Pin1结合Ubc9的pS71-P72基序并催化其异构化，从而促进Ubc9与SUMO1基团（而非SUMO2/3基团）形成硫酯体，进而上调全局蛋白SUMO1型SUMO化修饰；Ubc9 S71位点磷酸化由CDK1激酶催化，CDK1抑制剂显著抑制Pin1与Ubc9的互作。

在治疗意义上，研究团队使用Pin1抑制剂sulfopin和CDK1抑制剂RO3306联合治疗荷瘤小鼠，有效的抑制了GSC中的SUMO1型蛋白SUMO化修饰，减缓了小鼠颅内GBM的生长，极大延长了小鼠生存期。


Pin1被USP34去泛素化后通过异构化Ubc9提高泛蛋白SUMO1型的SUMO化修饰促进GSC维持和GBM发展

综上所述，该项研究以胶质瘤干细胞（GSC）为模型，阐明了肿瘤中调控Pin1蛋白稳定性的上游机制，剖析了Pin1上调SUMO1型蛋白SUMO化的下游机制，有助于发展针对GBM和其它受Pin1驱动的恶性肿瘤的治疗新策略。

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