Nat Rev | 发育中精确的时空控制:泛素连接酶在胚胎学疾病及癌症中的作用

原创 骄阳似我 图灵基因 2022-02-10 10:04

收录于话题#前沿分子生物学机制

撰文：骄阳似我

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亮点：

哺乳动物的发育要求精度，精确性的丧失会导致许多胚胎学疾病及癌症的发生。生物体内数以百万计的分子必须按时间和顺序正确定位，并发挥其功能，以协调细胞周期进程、凋亡、迁移和分化中的重要步骤，以形成发育中的胚胎。泛素及其相关酶作为细胞的守护者，在这些重要的细胞过程中可以确保对关键分子精确的时空控制。本文综述了E3泛素连接酶在哺乳动物早期发育的关键阶段的关键作用及其在人类疾病中的作用，并考虑了如何操纵和利用泛素调节机制协助临床治疗的新方法。

生命是用密码写的：从遗传密码到翻译后的条形码，一个动态的、复杂的多肽、核苷酸和其他小分子的网络将微环境的信号转化为细胞反应，然后，细胞就会经历生长、分裂、分化或死亡。传统上，泛素对蛋白质的修饰是由催化泛素激活(E1s)、偶联(E2s)和连接到蛋白质靶标(E3s)以及去泛素分子和链的去泛素化酶介导的。E3泛素连接酶直接决定了泛素化底物的精确特异性，并且它在指导胚胎发育的复杂细胞信号网络中也发挥着重要作用，E3泛素连接酶的功能缺陷和泛素化缺陷会对胚胎发育产生毁灭性的影响。虽然已经有综述强调了泛素化在癌症和干细胞生物学中的重要作用，但是人们对E3泛素连接酶调控胚胎发育过程的许多机制的了解较少。

近期，在Nature review molecuar cell biology杂志上刊登了一篇名为“Ubiquitin ligases: guardians of mammalian development”的综述，作者向我们介绍了在E3泛素连接酶控制下人类发育的关键步骤。作者首先简述了泛素化的分子机制，随后按照胚胎发育的时间线，从配子体发生，到着床前、着床周围和着床后的胚胎发生，最后是器官发生，详细阐述了E3泛素连接酶在早期哺乳动物胚胎发育不同阶段的关键作用。在治疗方面，作者讨论了目前关于E3在肿瘤发生和癌症进展中的知识，对泛素密码的认识和靶向泛素化药物的开发，可能成为治疗人类发育性疾病和癌症的创新策略。

首先作者向我们简要介绍了泛素化的机制。泛素化的过程由E1、E2和E3酶共同控制，这些酶依次激活、偶联和连接泛素连接到蛋白质底物靶点。E3连接酶根据其E2结合域结构和泛素转移机制可分为三类。RINGE3形成了最大的一类，并介导泛素从带电的E2直接转移到目标底物。环状的E3，Cullin-RING连接酶(CRLs)是最大的亚家族，几乎占人类E3的一半，占所有细胞泛素化的近20%。一般来说，CRL由四个组成部分组成：作为复合物支架的核心蛋白Cullin；一种负责与E2酶结合的环状蛋白；一种能够识别分子靶标的底物受体；将底物受体连接到Cullin上的靶蛋白。E3连接酶的多功能性源于它们能够将各种不同的基于泛素的结构添加到目标底物中，从而产生一个泛素编码，进而可以被不同的效应蛋白识别。E3连接酶在发育中的功能主要集中在泛素连接作为降解信号的功能上，同时E3连接酶还在细胞活性调节，翻译后修饰，亚细胞定位等方面发挥重要的作用。图1.E3连接酶类和泛素转移机制

接下来，作者从胚胎发育的最原始阶段——配子（精子和卵子）形成和发育阶段，为我们概述了E3连接酶在配子阶段关键进程中的重要作用。配子在遗传传递、多样性和进化中起着关键作用，配子形成过程中的错误可导致受精失败、流产或各种发育缺陷。E3连接酶可以通过改变生殖细胞染色质的凝结、对齐或交叉而成为哺乳动物生育能力的关键因素。在人类中，组蛋白泛素化对高阶染色质结构有直接的物理效应，如促进染色质的开放和激活，也有间接效应，如招募额外的蛋白质和信号传递连续的组蛋白修饰。在精子发生过程中，当另一种E3连接酶环指环2(RNF2)泛素化H2A时，精母细胞减数分裂失败概率大大增加。发育中的雌性配子也同样受到E3连接酶的严格调控。例如在E3连接酶的影响下，CUL4-DCAF13的缺失可阻止卵母细胞减数分裂，阻止卵泡发育，导致女性不育。当细胞周期蛋白E水平过低时，精原细胞干细胞的自我更新就会减弱，E3连接酶复合物可以通过靶向进行泛素化和降解，可以提高精原细胞干细胞的自我更新。E3连接酶也可以通过结构来实现调节功能，并且维持发育过程中精细胞的结构完整性。图2.E3连接酶在人体发育阶段关键进程中的作用

在受精卵形成至着床到子宫的过程中，E3连接酶同样发挥着不可替代的关键作用。这个过程中E3连接酶的作用主要有两个：①激活胚胎基因组②建立母胎之间的联系。当受精卵向子宫迁移时，细胞分裂并分化形成一种被称为囊胚的多细胞两层结构。囊胚内层包含一个将发育成胚胎的内细胞块，外层是被称为滋养层的细胞，它将分化并嵌入子宫内膜并形成胎盘。

在胚胎基因组被激活之前，受精卵依赖于母体提供的分子。在胚胎基因组被激活之后，如果母体因子不能被降解，合子基因组将会激活失败，胚胎发育停止。E3泛素连接酶能够在确保功能良好的受精卵形成和结合之后，保证母体蛋白被降解，使胚胎基因组接管胚胎后续的发育进程。在离开输卵管后，胚胎的滋养层细胞必须打破其现有的细胞基质粘附，分化为可降解的绒毛外滋养细胞，侵入子宫内膜，突破子宫动脉，建立胎儿-母体循环，E3泛素连接酶复合物对受精卵从输卵管到子宫的迁移过程至关重要。

在胚胎着床之后的发育过程中，E3连接酶还有两个重要的作用：①建立胚胎发育的中线②关闭神经管。胚胎中线的形成对于神经的形成以及器官的发生至关重要。在大多数脊椎动物中，神经管的前部和后部区域通过不同的机制形成，分别称为初级和次级神经形成。在前部区域，一个平面的细胞褶皱，形成两个高架的薄片，当相反的褶皱在中线融合时，汇聚成一个空心管。相比之下，后神经管是由颅尾定向的浓缩细胞棒形成的，这些细胞在外胚层下空洞形成一个中空管。如果这些过程出错，神经管的前或后区域不能闭合，会分别导致无脑畸形和脊柱裂，这是两种最常见的先天性缺陷。在整个神经形成和器官发生过程中，E3连接酶通过选择性泛素化来促进神经管的正确关闭，与此同时，许多额外的E3连接酶协同协调RA信号传导、微管稳定性、细胞骨架动力学和其他关键的细胞事件。图3.E3连接酶贯穿于整个人类发育过程中：滋养层细胞的侵袭和神经管的关闭

在器官发生和形成的过程中，E3泛素连接酶主要通过维持基因组稳定，影响组织结构来发挥发育守护者的核心作用。泛素化的失调可导致器官发育异常甚至失败。例如，神经发育和颅面缺陷中的HUWE1突变，它导致了基因组稳定性的改变，以及相关的神经发育和颅面缺陷。患有HUWE1突变的儿童可能会有各种畸形的面部特征，身材矮小，手脚较小，学习甚至说话都有严重困难。E3连接酶的突变也能够影响基本蛋白的水解作用。研究表明，CUL3-KLHL40和CUL3-KLHL41在肌肉发生过程中同时发挥了蛋白水解和非蛋白水解的作用。CUL3-KLHL40和CUL3-KLHL41通过稳定支架蛋白NEB(NEbulin)和细丝蛋白LMOD3(leiomodin3)阻断泛素化和促进蛋白质折叠（CUL3-KLHL40）或防止其聚集和随后的降解（CUL3-KLHL41与NEB），以确保正常肌肉结构和功能的建立和维持。同时，E3连接酶也通过调节细胞丰度来决定成熟器官的大小。例如，E3连接酶MDM2调节其主要底物p53的水平，以维持发育中的小鼠肺、内耳、胰腺和肾脏中的祖细胞群。图4.E3连接酶贯穿于人类的发育过程中：神经调节和肌肉发育

在癌症的进展与抑制中，E3泛素连接酶也发挥着重要的作用。由于泛素化的翻译后修饰的普遍程度仅次于磷酸化，E3连接酶有可能改变几乎所有细胞蛋白的定位、活性、相互作用和丰度。由于对蛋白质组的这种影响，E3的活性失调不仅影响先天发育性疾病，并且在癌症中也具有深远的影响。E3可以通过类似的分子机制影响胚胎发生和癌症的关键步骤。例如在食管癌、乳腺癌、胶质癌、肝癌和其他几种类型的癌症中，癌细胞利用CUL7侵袭和转移，这就体现了征用E3促进侵袭和转移的能力。

泛素依赖的途径几乎影响细胞生物学的每个方面，这推动了能够抑制、激活和调节泛素途径分子机制的发展。例如联合使用蛋白酶体抑制剂硼替佐米和E3靶向免疫调节药物沙利度胺和来那度胺，它彻底改变了多发性骨髓瘤的治疗。从那时起，泛素途径修饰小分子已经扩展到包括，包括中和E1酶活性的多肽；稳定、增强、抑制和/或提供新的E3−蛋白底物相互作用的类药物分子(如“分子胶”、靶向嵌合体(PROTACs)和免疫调节药物。E3连接酶的抑制提供了一种潜在的策略，通过稳定靶蛋白的降解来解决涉及单倍体不足或有缺陷的上游或下游信号通路的先天性疾病。图5.利用E3连接酶进行靶向蛋白降解

自20世纪80年代将泛素与蛋白质转换联系起来的重要实验以来，泛素生物学领域得到了爆炸性的发展。随着人们对E3连接酶在胚胎发育中的许多重要作用的日益了解，利用E3连接酶开发新的靶向药物治疗发育性疾病成为一种重要的策略。与此同时，E3连接酶在癌症的进展与抑制中也扮演重要的角色，我们同样可以期待针对E3连接酶及相关靶点的抗肿瘤药物能够为癌症患者带来福音。

教授介绍：

Kenneth Yamada

Kenneth Yamada 斯坦福大学医学博士，美国国立卫生研究院杰出研究员。自1990年以来一直担任美国国家癌症研究所科长，1991年当选AAAS院士，2004年获得美国基质生物学学会第一届高级研究员奖，2008年获得美国牙科研究协会杰出科学家奖，并于2011年晋升为NIH杰出研究员。Kenneth Yamada博士已经发表了400多篇被高度引用的论文，目前也担任多家顶级期刊的编辑，并且培养了众多的科学家。

Kenneth Yamada博士的研究重点是发现细胞与细胞外基质相互作用的新机制和调节因子及其在颅面发育和疾病中的作用。了解这些基本过程的潜在机制可以为组织再生和癌症等疾病的治疗提供新的方法。

参考文献：

David A. Cruz Walma et al. Ubiquitin ligases: guardians ofmammalian development [J]. Natre reviewmolecular cell biology. Jan 15.2022