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哈佛首次发现棕榈酰化是STAT3信号调控的重要因素 与癌症等相关-贤集网生物专题

文章来源: BioArt       发布时间:2019-08-29

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 -棕榈酰化,促进STAT3的二聚化和转录激活,并鉴定到ZDHHC19是一种调节STAT3棕榈酰化的酰基转移酶。该论文首次发现脂肪酸和ZDHHC19介导的棕榈酰化是STAT3信号调控的重要因素,这为揭示棕榈酰化与炎症和癌症的关系提供了重要证据。


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作者首先利用蛋白棕榈酰化的化学报告因子鉴定到STAT3翻译后会发生棕榈酰化修饰,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-棕榈酰化,而硫代酯键可被NH2OH分解(图1a)。STAT家族不同成员的棕榈酰化修饰程度存在差异,棕榈酰基(C16)和硬脂酰基(C18)是STAT3修饰的主要酰基(图1b)。酰基聚乙二醇交换实验证实,与胞质STAT3相比,核内STAT3具有更高的棕榈酰化水平(图1c,d)。脉冲追踪实验表明,STAT3棕榈酰化的半衰期约为1.8小时,证明STAT3的棕榈酰化处于动态变化之中(图1e)。突变分析表明,STAT3的棕榈酰化位点很可能位于SH2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 -棕榈酰化


由于JAK激酶磷酸化位点(Y705)与上述两个棕榈酰化位点相隔很近,作者检测了磷酸化与棕榈酰化是否会互相影响。IL-6或IFNγ刺激HEK293A细胞后,细胞中STAT3棕榈酰化水平上升,而磷酸化位点的突变会导致棕榈酰化水平下调,证明细胞因子诱导的STAT3磷酸化会促进其棕榈酰化,但磷酸化对于棕榈酰化并不是必需的(图2a-d)。


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图2 STAT3的磷酸化和棕榈酰化能在细胞因子和脂肪酸影响下促进STAT3二聚化


IL-6刺激后,棕榈酰化缺陷型突变体STAT3(C687S/C712S)的Y705磷酸化水平及K685乙酰化水平并未发生显著变化,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的棕榈酰化水平。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-酰基链结合和增强二聚化的能力,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棕榈酰化和二聚化的影响。结果发现,疏水口袋缩小后STAT3的棕榈酰化和二聚化水平显著降低。上述研究表明,棕榈酰化能在不影响磷酸化和乙酰化水平的条件下,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的棕榈酰化,而棕榈酰化可能是细胞因子刺激的一种正反馈效应,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的棕榈酰化和磷酸化(图2f),表明HFD能通过促进STAT3的磷酸化和棕榈酰化来激活STAT3信号。外源性棕榈酸能通过剂量依赖性方式上调STAT3的棕榈酰化水平,并能诱导STAT3的二聚化,而NH2OH处理或棕榈酰化位点突变(C687S)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,而棕榈酰化位点突变(C687S/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,通过棕榈酰化增加STAT3的转录活性;而受到脂肪酸和细胞因子刺激后,STAT3棕榈酰化和磷酸化组成的正反馈调节信号能导致STAT3转录的强烈激活。


STAT3的棕榈酰化是如何被调控的呢?作者接下来对潜在的调控STAT3棕榈酰化的棕榈酰酰基转移酶进行了筛选和鉴定,发现ZDHHC19与STAT3的棕榈酰化活性一致,并能与STAT3结合。ZDHHC19敲低会抑制STAT3的棕榈酰化水平,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棕榈酰化的关键棕榈酰化酶,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棕榈酰化。


作者随后探究了ZDHHC19和ZDHHC19介导的STAT3棕榈酰化在病理状态下的作用。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棕榈酰化及其核定位,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棕榈酰化、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棕榈酰化和核定位增加存在相关性。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棕榈酰化在LSCC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-棕榈酰化对其同源二聚化、核定位以及转录激活至关重要,棕榈酰化和磷酸化修饰通过正反馈信号调控STAT3,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,证明蛋白棕榈酰化修饰在肿瘤发生中发挥了重要作用。


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、乙酰化和泛素化等翻译后修饰外,翻译后的S-棕榈酰化或S-脂肪酰化修饰能将脂肪酸(如棕榈酸酯)通过硫酯键共价修饰附着在蛋白质的半胱氨酸残基上,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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