丛羽生团队揭示UFMylation修饰在维持p53肿瘤抑制功能上的重要性

蛋白质翻译后修饰在生命活动中发挥着重要作用,蛋白修饰异常与诸多人类重大疾病密切相关。第一个被鉴定的蛋白质修饰系统是泛素化修饰,以共价键的形式将泛素分子结合到靶蛋白的赖氨酸残基上。目前已经发现了十几种类泛素蛋白质,它们利用相似的酶促反应修饰靶蛋白。这些类泛素化修饰包括SUMO、NEDD8、UCRP/ISG15、Atg8、Atg12、FAT10、UFM1等【1】
UFMylation修饰(UFM1修饰)是最新被鉴定的一种类泛素化修饰【2,3】,与泛素化修饰类似,UFM1以前体形式被合成,经过UfSP1或UfSP2剪切,形成活化的UFM1-G83后被一个特定的E1样活化酶(UBA5)激活,转移到E2样结合酶(UFC1)上,随后UFC1和E3样连接酶(UFL1,又称NLBP或RCAD)共同识别靶蛋白,对其进行Ufmylation修饰。UFM1-靶蛋白共价结合体可以被UfSP1或UfSP2剪切,释放UFM1参与新的循环(图1)【4】
图1. UFM1修饰系统示意图
目前人们对UFMylation修饰的了解非常有限。已有研究显示UFMylation修饰的缺陷导致小鼠胚胎致死及多种人类疾病,说明UFMylation修饰具有极其重要的生物学功能。然而其修饰的底物谱、修饰的调控机制、及其调控的生物学过程目前仍不清晰,只有为数不多的底物被鉴定。DDRGK1作为第一个被鉴定的UFMylation修饰靶蛋白【3】,在维持UFL1的E3样连接酶活性中发挥关键作用【5】。核受体共激活因子ASC1作为第二个被鉴定的UFMylation修饰靶蛋白,其UFMylation修饰能够招募转录因子p300和SRC1一起结合到雌激素受体ERα下游靶基因的启动子上,促进ERα介导的肿瘤形成【5】。新近研究发现UFL1可以被MRE11/RAD50/NBS1蛋白复合体招募到DNA损伤点UFMylation修饰组蛋白H4,进而增强Suv39h1和Tip60的募集,ATM还可以磷酸化UFL1活化其E3样连接酶活性进一步激活ATM形成正反馈调控【6】。同时,MRE11也存在UFMylation修饰,并且对于MRN蛋白复合体的形成和调控DNA损伤修饰不可或缺【7】。但是目前关于UFMylation修饰的底物及UFMylation修饰如何参与底物蛋白的功能调控仍不清楚。  
2020年8月17日,杭州师范大学浙江省衰老与癌变生物学重点实验室丛羽生团队在Nature Cell Biology杂志发表了题为UFMylation maintains tumor suppressor p53 stability by antagonizing its ubiquitination的研究论文。该工作发现:肿瘤抑制因子p53能够被UFM1共价修饰;p53的UFMylation修饰拮抗MDM2介导的p53的ubiquitination修饰,维持p53的蛋白稳定性及肿瘤抑制功能。
肿瘤抑制因子p53是迄今发现与人类癌症相关性最高的基因,也是目前研究最多的一种抑癌基因。正常情况下,p53维持在较低表达水平,一旦细胞受到外界刺激,p53水平升高,稳定性增强,继而促进细胞周期阻滞、调节细胞自噬和细胞衰老、帮助DNA损伤修复、促进细胞代谢及细胞凋亡来抑制细胞向恶性肿瘤的转化。p53的转录激活是应急反应中最关键的早期事件,多种途径能够在应急状态下激活p53,其中翻译后修饰是最主要的调控机制,包括泛素化、乙酰化、磷酸化、甲基化、类泛素化修饰SUMO和Neddylation等【8】。p53在正常的细胞中维持极低的浓度,这主要是泛素连接酶MDM2的负反馈调节作用,MDM2在不同条件下诱使p53发生多泛素化或单泛素化,从而调节不同细胞过程中p53的定位、表达和稳定性【9,10】
文章作者通过质谱、免疫共沉淀和GST-Pull Down技术分别发现p53和UFL1及DDRGK1存在相互作用,并通过体内和体外的UFMylation修饰检测体系鉴定出p53蛋白C端赖氨酸残基K351, K357, K370和K373均存在UFMylation修饰;在不同肿瘤细胞中敲低UFL1和DDRGK1的表达,均可以显著影响p53的蛋白稳定性。研究报道p53蛋白这四个UFMylation修饰位点同时受到ubiquitination修饰的调控,而MDM2作为p53最主要的E3连接酶在其中发挥着关键作用。深入研究发现UFL1和p53结合在p53的N端,在体内和体外水平均能够拮抗MDM2和p53的结合,通过修饰互作调控p53的蛋白稳定性。 
接下来作者分析p53蛋白UFMylation修饰在DNA损伤情况下表达的变化及调节机制。研究发现药物诱导肿瘤细胞发生DNA损伤,p53的UFMylation修饰显著增加,而敲低UFL1和DDRGK1的表达,能够抑制p53的UFMylation修饰,以及p53与其下游靶基因p21在DNA损伤状态下的蛋白累积。克隆形成实验也进一步验证了p53对细胞增殖的调控依赖于p53的UFMylation修饰。为了明确UFMylation修饰对于p53肿瘤抑制功能的影响,作者设计了不同的实验对照组,并通过裸鼠成瘤实验发现p53蛋白K351, K357, K370和K373的UFMylation修饰对于维持p53的肿瘤抑制功能至关重要,揭示UFMylation修饰对p53蛋白稳定性的调控在其中发挥着主要作用。此外,作者在临床肾透明细胞癌患者的病理样本中,也发现UFL1,DDRGK1和p53蛋白的表达水平存在高度正相关性,进一步提示UFMylation修饰在维持p53肿瘤抑制功能上的重要性。
据悉,丛羽生教授团队的刘江副教授和管娣副教授为共同第一作者,浙江省肿瘤医院魏海滨博士负责了部分临床相关的工作,丛羽生教授为通讯作者。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41556-020-0559-z
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