去泛素化酶USP35在癌症中的研究进展

赵 培

(山西医科大学附属肿瘤医院,山西 太原 030013)

蛋白质泛素化的改变通常与癌症有关。泛素化由三种顺序作用的泛素化酶进行,并且可以被去泛素化酶(DUB)对抗,而去泛素酶已成为有希望的药物靶标。去泛素化酶在肿瘤中的作用涉及转录水平的调控、翻译后修饰、蛋白质相互作用等方面,影响肿瘤的发生发展、转移和预后等[1]。去泛素化酶通过调节上皮间质转化(EMT)相关分子或EMT相关信号通路等多种方式直接或间接影响EMT进展[2]。人类基因组中的DUB可以根据其UBQ蛋白酶结构域分为亚类:UBQ特异性蛋白酶(USP),otubain蛋白酶(OTU),UBQ C端水解酶(UCH),Machado-Joseph疾病蛋白酶(MJD),JAB1/Mov34/Mpr1 Pad1 N-末端+(MPN+)(JAMM)基序蛋白酶,以及与含泛素的新型DUB家族(MINDY)相互作用的基序。去泛素化酶中数量最多的家族是USP家族,人类基因编码的有50余种。由于癌症是一种不受控制的细胞周期进展和增殖的疾病,因此靶向UPS阻止癌细胞循环和增殖具有巨大的治疗潜力[3]。其中USP35现已成为癌症研究中有吸引力的潜在靶点。

1 USP35的基本结构特征

USP35基因位于11号染色体11q14.1区域,11号染色体:78188812-78215232正向链(GRCh38)。别名KIAA1372蛋白,ENSG00000118369,Mername-AA080肽酶。该基因有7个转录本(剪接变异体)、130个直系同源物和71个旁系同源物。该基因编码泛素特异性蛋白酶肽酶C19家族的一个成员。这些DUBs催化从其他蛋白质中去除泛素蛋白。编码的蛋白质与极化的线粒体结合,并已被证明能抑制NF-κB的激活和延迟PARK2介导的线粒体降解。let-7a微小RNA上调该基因的表达,并在人类肿瘤组织中观察到表达减少。USP35有两种不同的亚型定位于不同的细胞内并具有不同的功能。亚型1是一种抗凋亡因子,可抑制星形孢素和TNF相关的细胞凋亡诱导配体(TRAIL;也称为TNFSF10)诱导的细胞凋亡。相比之下,USP35亚型2是内质网(ER)的整合膜蛋白,也存在于脂滴中。亚型2水平的操作引起快速ER应激,可能是通过脂质稳态的失调,并导致细胞死亡。

2 USP35的生物学功能

2.1 USP35参与调控NF-κB通路USP35的生物学作用和调节机制在很大程度上仍然未知。miR let-7a为USP35表达的阳性调节因子,USP35表达与不同癌细胞系和组织中的miR let-7a表达呈正相关。与邻近的非癌组织相比,肿瘤组织中的USP35表达显著降低。USP35过表达在体外抑制细胞增殖,抑制体内异种移植肿瘤生长。此外,USP35作为一种功能性DUB并通过促进其去泛素化来稳定TNFAIP3相互作用蛋白2(ABIN-2)。功能上,ABIN-2和USP35均能抑制TNFα诱导的NF-κB活化,ABIN-2的过表达缓解USP35损失诱导的NF-κB活化。总的来说,miR let-7a调节的USP35可以通过ABIN-2蛋白的去泛素化和稳定来抑制NF-κB活化,并最终抑制细胞增殖。

2.2 USP35参与调控细胞周期

2.2.1 USP35参与有丝分裂 尽管人类基因组中编码了大约 100 种DUB,但对在有丝分裂中起作用的 DUB 知之甚少。Park等[4]证明了DUB USP35通过控制Aurora B的蛋白质水平和下游信号传导来发挥有丝分裂调节剂的作用,USP35的耗竭最终导致几种有丝分裂缺陷,包括细胞分裂失败。USP35与极光B结合并去泛素化,并抑制APCCDH1-介导的极光B的蛋白酶体降解,从而在有丝分裂期间保持其稳态水平。此外,USP35的损失降低了组蛋白H3-Ser10(一种极光B底物)的磷酸化。最后,转录因子FoxM1在细胞周期中促进USP35以及极光B的表达。研究表明,USP35通过阻断APC来调节Aurora B的稳定性和功能CDH1-诱导蛋白酶体降解,从而控制有丝分裂进展。

2.2.2 USP35参与癌细胞增殖 存活蛋白(Survivin)是在正常细胞和癌细胞中差异表达的罕见蛋白质之一,直接或间接参与肿瘤维持所需的多种途径。它几乎在所有癌症中都有表达,并且在癌症的早期阶段就已检测到其表达[5]。Survivin是染色体乘客复合体的关键组成部分,在细胞分裂的调节中起重要作用。Survivin也与细胞凋亡和肿瘤发生的调节有关。使用含有68种DUB的表达库,Wang等[6]发现USP35以酶活性依赖性方式调节Survivin稳定性。USP35与Survivin相互作用并促进了Survivin的去泛素化。USP35还调节了Aurora B和Borealin的蛋白质稳定性,它们也是染色体乘客复合体的组成部分。通过调节染色体乘客复合物成分的蛋白质稳定性,USP35调节癌细胞增殖。

2.3 USP35活性调节Park等[7]通过分析USP35的各种片段来展示USP35活性的可能调节以及影响其功能的结构特异性。USP35的催化结构域本身并不表现出去泛素化活性;相反,催化结构域中的C端结构域和插入区域是完全USP35活性所必需的。此外,通过其C端结构域,USP35形成防止USP35降解的同源二聚体。与HSP90结合的CHIP与USP35相互作用并泛素化。然而,当功能齐全的USP35经历自动去泛素化时,这会减弱CHIP介导的泛素化。此外,USP35二聚体是底物极光B的去泛素化和调节忠实有丝分裂进展所必需的。该研究中鉴定的USP35的特性是独特的同源二聚体结构,通过该结构调节去泛素化活性,以及利用参与USP35自泛素化的新型E3连接酶,这为去泛素化酶的调节增加了另一个复杂性。

3 USP35与恶性肿瘤的关系

3.1 肺癌肺癌是全球最常诊断的癌症之一,也是癌症相关死亡的主要原因,每年有200万新病例和1.76万人死亡[8]。肺癌的早期诊断至关重要,特别是在筛查高危人群时,如吸烟者、暴露于烟雾、油田、有毒职业场所等。根据目前的知识,似乎迫切需要识别新的生物标志物。USP35是FPN蛋白稳定性和肺癌细胞中铁输出所必需的,从而保持细胞内铁稳态和肿瘤生长。而USP35敲低通过减少FPN介导的铁输出来增加细胞内LIP水平和铁死亡,伴随着肺癌细胞生长,定植和肿瘤形成的减少,以及对DDP和PTX的化学敏感性增加[9]。核糖体结合蛋白1(RRBP1)是内质网(ER)中的膜结合蛋白,研究发现,RRBP1表达与转基因细胞和人类NSCLC组织中的USP35水平呈正相关。RRBP1表达和USP35表达均与肺腺癌患者的不良预后呈正相关。在分子水平上,USP35被验证与RRBP1直接相互作用,以防止其蛋白酶体依赖性降解。在功能上,USP35通过稳定NSCLC细胞中的RRBP1来缓解ER应激诱导的细胞凋亡[10]。USP35在H460细胞中的过表达增加了BIRC3的丰度,而USP35敲低在Anip973细胞中的丰度降低了BIRC3的丰度。值得注意的是,USP35通过其去泛素化酶活性,通过赖菌48介导的多泛素化直接与BIRC3相互作用并稳定BIRC3。USP35通过调节NSCLC细胞中的BIRC3水平来缓解顺铂诱导的细胞凋亡。此外,在人NSCLC组织中观察到USP35和BIRC3蛋白表达水平之间存在显着的正相关关系。综上所述,USP35通过BIRC3的过表达在抵抗顺铂诱导的细胞死亡中起着至关重要的作用。USP35可能是人类NSCLC的潜在新型治疗靶点。此外,通过Transwell实验检测USP35过表达可以增加H1299细胞迁移和侵袭的数目,证实USP35调控NSCLC的侵袭和迁移。迁移和侵袭基本上取决于上皮间质转化,因此,研究检测了USP35对上皮间质转化标志物E-cadherin和Vimentin的影响。结果显示USP35升高可下调H1299细胞中E-cadherin蛋白表达,上调Vimentin蛋白表达,与此相一致的是,USP35降低可上调Anip973细胞中E-cadherin蛋白表达,下调Vimentin蛋白表达,说明USP35通过促进NSCLC上皮间质转化,进而促进NSCLC的侵袭和迁移[11]。

3.2 卵巢癌卵巢癌是全球第三大最常见的妇科恶性肿瘤,但在这些癌症中死亡率最高[12]。在卵巢癌患者中,I期和II期的5年生存率为90%,但III期和IV期仅为30%[13]。高水平的USP35与卵巢癌患者的CD8 T细胞浸润减少和预后不良相关。在机制上,沉默USP35加强了STING-TBK1-IRF3途径的激活并促进I型干扰素的表达。相关的数据进一步表明,USP35可以直接去泛素化和灭活STING。STING的激活以STING磷酸化依赖性方式促进其与USP35的结合。在功能上,敲低USP35会使卵巢癌细胞对DNA损伤化疗药物顺铂敏感。研究结果将USP35确定为卵巢癌中STING相关I型干扰素信号传导的负调节因子,它可能被用作改善卵巢癌患者预后的有希望的治疗靶点[14]。

3.3 前列腺癌前列腺癌(Prostate adenocarcinoma,PRAD)是全球第二大诊断癌症类型,也是男性癌症相关死亡的最常见原因。在及时预防前列腺癌转移和决定治疗选择方面,纳入具有临床价值的预后和预测生物标志物也是潜在的[15]。USP35可以增强PRAD细胞的恶性特征。在机制上,USP35可以直接去泛素化和稳定BRPF1蛋白。USP35依赖于积累的BRPF1蛋白来加速细胞生长、干细胞样特性以及体外和体内迁移。USP35是前列腺肿瘤发生的新型致癌DUB,USP35/BRPF1轴通过激活MVA途径促进前列腺癌的恶性特征。生物信息学分析发现BRPF1是与PRAD进展相关的致癌因子。高BRPF1有助于PRAD的肿瘤生长和恶性进展[16]。

3.4 乳腺癌乳腺癌是一种复杂的疾病,被发现是全球女性癌症死亡的最常见原因,每年影响>160万女性。雌激素受体阳性(ER)乳腺癌是最常见的乳腺癌亚型[17]。位于11q14.1的去泛素酶USP35的较高表达与ER+乳腺癌和生存率低有关。雌激素通过下调USP35靶向miRNA-140-3p和miRNA-26a-5p来增强USP35蛋白水平。USP35促进了ER+乳腺癌在体外和体内的生长,降低了ER+乳腺癌细胞对他莫昔芬和氟维司群等内分泌疗法的敏感性。USP35与ERα形成正反馈环,促进ER+乳腺癌的肿瘤发生。USP35通过增强ERα的稳定性和转录活性来促进ER+乳腺癌的发生,并增加ER+乳腺癌细胞对内分泌治疗的抵抗力。USP35的AKT磷酸化对于USP35在ER+乳腺癌细胞中的作用至关重要[18]。

3.5 皮肤黑色素瘤皮肤黑色素瘤(Cutaneous melanoma,cM)是最常见的皮肤癌,其发病率在过去几十年中迅速上升。黑色素具有抗氧化和促氧化特性的复合物,它在紫外线辐射、重金属、除草剂等多种病因因素的影响下,从抗氧化剂转变为促氧化剂,是引发致癌的关键和最早的致病事件[19]。USP35水平与“黑色素生成”和“TORC1信号激活”呈正相关,而与“T细胞活化”和“巨噬细胞活化”呈负相关。众所周知,黑色素生成在黑色素细胞生理学以及黑色素瘤的建立/进展中起着关键作用。USP35可能影响恶性黑色素瘤色素水平的调节,并通过与TORC1的相互作用驱动黑色素瘤的恶性进展。USP35 CNV扩增类别与cM临床预后之间存在显着相关性,而且还发现与其他患者相比,USP35扩增的cM患者的T细胞CD8+浸润水平较低。USP35 cg19972312位点的低甲基化状态与USP35高表达和不良临床生存结局有关。USP35水平与大多数ICPs水平呈负相关,提示USP35表达高的cM患者可能免疫治疗效果较差[20]。

3.6 结直肠癌结直肠癌(colorectal cancer,CRC)的死亡率在全球所有癌症中排名第二。肿瘤微环境(TME)细胞(例如巨噬细胞、中性粒细胞和成纤维细胞)通过产生多种致病质因子,在癌症进展中起重要作用[21]。USP35过表达与免疫抑制TME有关,特别是CD8 T细胞浸润的减少。进一步的功能研究表明,增强的USP35表达促进了CRC细胞增殖和对奥沙利铂(OXA)和5-氟尿嘧啶(5-FU)的耐药性,而USP35耗竭阻碍了细胞增殖并使细胞对OXA和5-FU处理敏感。为了探索USP35触发细胞反应的可能机制,Xiao等[22]进行了免疫共沉淀(co-IP),然后进行了质谱(MS)分析,并确定α-L-岩藻糖苷酶1(CA1)作为USP35的直接去泛素化靶标。重要的是,研究证明了FUCA1是USP35诱导的体外和体内细胞增殖和化学抗性的重要介质,并观察到核苷酸切除修复(NER)组分(例如,XPC,XPA,ERCC1)被USP35-FUCA1轴上调,表明USP35-FUCA1介导的CRC是铂抗性的潜在机制。

3.7 肾透明细胞癌肾细胞癌(renal cell carcinoma,RCC)是最常见的肾癌形式。它分为各种亚型,透明细胞RCC(ccRCC)约占所有RCC的70%～80%[23],其特征是控制缺氧信号通路的因子发生基因突变,导致代谢失调、血管生成增强、肿瘤内异质性和有害肿瘤微环境串扰[24]。铁死亡是一种以铁代谢紊乱和脂质过氧化物积累为特征的调节细胞死亡的新形式,在治疗癌症特别是ccRCC方面显示出巨大的潜力。细胞凋亡途径在癌症发病机制中亦起着关键作用。而USP35通过发挥去泛素化酶功能稳定凋亡抑制蛋白的水平和氧化还原调节蛋白NRF2的表达,抵抗细胞凋亡和铁死亡的发生[25]。抑制USP35表达能够诱导凋亡和铁死亡,进而抑制肾透明细胞癌生长,为肾透明细胞癌的临床治疗提供潜在靶点。

4 前景与展望

去泛素化酶USP35在多种癌症中异常高表达,影响癌症的发生与发展。USP35在恶性肿瘤中的功能以及在恶性肿瘤靶向治疗中潜在临床价值的相关研究受到广泛关注,有望成为潜在的癌症临床诊断标记和治疗靶点。然而USP35与癌症作用的更多生物学机制、对底物的选择性、小分子抑制剂等有待进一步研究探索。相信不久的将来,USP35更多功能以及与更多癌症的关系将逐渐被发现,为癌症防治提供新的指导依据。总之,USP35在癌症中的作用值得进一步挖掘,其转化应用前景值得期待。