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下載Firefox乳腺癌是女性中最常見的惡性腫瘤之一,其發生發展受到細胞外基質(ECM)的調節。ECM是一種復雜的多聚物網絡,包含多種結構和功能蛋白。ECM不僅提供了細胞生長和分化所需的物理支架和化學信號,還通過改變其生化組成或力學特性來影響細胞行為。ECM與細胞之間的信息交流主要通過粘附斑(FAs)來實現,FAs是一種動態的蛋白質組裝體,負責機械信號的感知和轉導。當ECM與跨膜異二聚體整合素受體結合時,FAs內部會招募眾多蛋白組分,并與肌動蛋白骨架相連。隨著ECM剛度的增加,細胞通過肌動蛋白聚合和肌動蛋白馬達主動增強對抗性的收縮和張力。將機械信號轉化為生化信號,調節細胞行為。
乳腺癌相關組織表現出比正常乳腺組織更高的剛度。目前已經廣泛認識到,高硬度的ECM促進乳腺癌細胞的侵襲。然而,ECM機械特性的變化如何轉化為指導細胞遷移和轉移的生化信號仍然知之甚少。
2023年10月17日,王波教授和圣裘德兒童研究醫院Mondira Kundu教授團隊在EMBO Reports上發表了題為“An ULK1/2-PXN mechanotransduction pathway suppresses breast cancer cell migration”的研究成果。該研究表明自噬誘導激酶ULK1以不依賴自噬的方式磷酸化PXN/Paxillin S32和S119位點,從而破壞Paxillin相分離能力并阻礙黏著斑的組裝,最終抑制細胞的黏附和遷移。本文揭示了ULK1/2作為PXN的重要調節因子在機械轉導中的新功能,也為乳腺癌的診斷和治療提供了新的靶點。
為了探索 ECM、機械傳導和自噬之間的關系,作者首先分析了乳腺癌患者組織和正常組織的蛋白質表達,發現腫瘤樣本中某些 ECM 蛋白(包括膠原蛋白和纖連蛋白)、細胞收縮和整合素信號傳導的幾種標志物水平升高,而自噬活性的幾個關鍵蛋白中只有ULK1顯著下調。隨后利用單細胞RNA測序數據,作者比較了正常和惡性乳腺上皮細胞的基因表達,發現與FA和細胞皮層相關的基因顯著上調。為了檢測乳腺癌細胞中ULK1水平降低與機械轉導途徑的異常激活是否相關,作者分別構建了回補空載(EV)、ULK1野生型(WT )、ULK1激酶失活型 (KD) 的MDA-MB-231和Hela細胞系,并通過Transwell實驗證明ULK1 WT(而非ULK1 KD)能顯著阻礙細胞遷移。與之相對應的,作者同樣檢測到該組細胞鋪展的延遲、FA的組裝、整合素下游信號的抑制、牽引力顯微鏡(TFM)檢測的細胞收縮力減弱以及原子力顯微鏡 (AFM) 測量的細胞硬度降低等現象,這些結果共同證明了ULK1作為細胞遷移和收縮的負調控因子,阻礙肌動蛋白的組裝和機械力的轉導。
圖1 ULK1/2抑制細胞鋪展與FA的組裝
為了探究 ULK1/2 發揮這些功能的分子機制,作者將目光聚焦到PXN,一種被充分研究的FA接頭蛋白,在果蠅中已被證明與ULK1/2存在遺傳相互作用。作者也在HEK293T細胞中通過免疫沉淀實驗檢測到ULK1和PXN存在相互作用,同時在Hela細胞中能夠觀察到它們存在很好的共定位??紤]到與 ULK1/2 相互作用的蛋白質通常是這些激酶的直接底物,作者通過體外激酶實驗證明了ULK1能夠在S32和S119位點直接磷酸化PXN。ULK1介導的PXN磷酸化的具體功能是什么?作者發現回補PXN WT,尤其是回補磷酸化缺陷型 2SA,可以顯著恢復PXN敲除對細胞遷移和機械力轉導造成的影響,而回補磷酸化模擬型2SD組則幾乎不能做到。綜上所述,這些結果表明 ULK1/2 對 PXN 的磷酸化能抑制細胞力學,而細胞力學的功能障礙會促進乳腺癌轉移。
圖2 ULK1/2對PXN的磷酸化阻礙乳腺癌細胞機械力的轉導
鑒于作者未發表的數據,表明PXN通過液-液相分離(LLPS)促進胞質FA復合物的大分子組裝,作者假設ULK1介導的PXN磷酸化可能會影響PXN LLPS。所以作者利用體外/體內蛋白相分離、光漂白后熒光恢復 (FRAP)和雙磺基琥珀酰亞胺基辛二酸酯 (BS3)交聯等實驗,證明了該磷酸化通過削弱PXN同型相互作用,減慢分子熱力學,因此增加 其LLPS 的閾值,從而導致 FA 組裝/成熟受阻。
圖3 ULK1/2對PXN的磷酸化減弱其相分離能力
隨后的研究還表明,絲氨酸激酶ULK1/2和酪氨酸激酶FAK/Src通過競爭性磷酸化在力傳導中發揮拮抗作用。在體外和細胞中,一種激酶(ULK1/2或FAK/Src)對顯著減弱了另一種激酶(FAK/Src或ULK1/2)對 PXN 的磷酸化。作者認為兩類激酶的這種精細的調節機制可能反映了細胞中控制機械傳感與轉導的復雜程序。
本研究詳細描述了自噬誘導絲氨酸/蘇氨酸激酶ULK1和ULK2在機械轉導中的新作用。作者發現ULK1/2活性抑制肌動蛋白應力纖維和粘著斑(FA)的組裝,從而阻礙細胞收縮和遷移,與其在自噬中的作用無關。從機制上講,作者將PXN/paxillin(力傳導機制的關鍵組成部分)確定為ULK1/2的直接結合分子和底物。ULK1/2介導的PXN在S32和S119處的磷酸化削弱了PXN的同型相互作用和液-液相分離,損害FA組裝,進而改變乳腺癌細胞的機械特性及其對機械刺激的反應。ULK1/2和被充分研究的PXN調節因子FAK/Src在機械轉導方面具有相反的功能,并競爭相鄰絲氨酸和酪氨酸殘基的磷酸化。綜上所述,作者的研究表明ULK1/2是PXN依賴性機械轉導的重要調節因子,并且首次證明了翻譯后修飾與 LLPS、FA動力學、機械轉導和腫瘤轉移之間的因果關系,為調節FA(膜相關縮合物)的材料特性來治療乳腺癌提供新的視角。
圖4 ULK1/2磷酸化PXN抑制細胞機械轉導信號的激活
王波教授和圣裘德兒童研究醫院Mondira Kundu教授為該論文的共同通訊作者,廈門大學細胞應激國家重點實驗室博士后梁沛鋼,在讀博士生張佳琪,已畢業碩士生吳宇晨和在讀碩士生鄭善元為論文的共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金項目等的資助。
全文鏈接:https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.202356850
(圖/文 王波課題組)