脫泛素酶OTUD7B調(diào)控腫瘤微環(huán)境和腫瘤進(jìn)程的分子機(jī)制*

林丹丹， 申 陽(yáng)， 解 欣, 2， 史建紅△

(1河北大學(xué)附屬醫(yī)院實(shí)驗(yàn)中心， 河北省腫瘤放化療機(jī)制與規(guī)程研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 2河北大學(xué)醫(yī)學(xué)院， 河北 保定 071000)

泛素化(ubiquitination)是一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾過(guò)程，泛素(ubiquitin)以共價(jià)連接的方式形成多聚泛素鏈并結(jié)合到靶蛋白賴氨酸(lysine，K)殘基上，該過(guò)程由泛素激活酶(ubiquitin-activating enzymes，UBE，E1)、泛素結(jié)合酶(ubiquitin-conjugating enzymes，UCE，E2)和泛素連接酶(ubiquitin ligases，E3)順序激活[1]。經(jīng)典的泛素化調(diào)節(jié)方式是通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system，UPS)介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶蛋白含量的精確調(diào)控[2-3]。隨著人們對(duì)泛素化認(rèn)識(shí)的不斷深入，除了UPS介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解和更新外，泛素化還可通過(guò)非降解機(jī)制調(diào)節(jié)細(xì)胞功能，如K63-和M1 (Met1)-多聚泛素鏈可形成細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的平臺(tái)，參與激酶活化和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[4-5]。泛素化是一個(gè)可逆的動(dòng)態(tài)過(guò)程，受到E3和脫泛素酶(deubiquitinase，DUB)的共同調(diào)節(jié)[6]。OTUD7B(OTU domain-containing 7B)是一種多功能脫泛素酶，介導(dǎo)K11-、K48-和K63-多聚泛素鏈解離，在生長(zhǎng)發(fā)育、免疫應(yīng)答和惡性腫瘤等生理病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

1 OTUD7B與脫泛素調(diào)節(jié)

1.1OTUD7B的基因結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) OTUD7B是OTU脫泛素酶超家族成員。通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，OUT超家族蛋白在氨基酸序列上與其他類(lèi)的脫泛素化酶有較大差異，該家族蛋白核心區(qū)域由2個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)和5個(gè)β-折疊組成。不同的OTU 家族成員其OTU結(jié)構(gòu)域大小不同，但均已被證實(shí)具有脫泛素酶活性[7-8]。OTU家族的共同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：含有OTU結(jié)構(gòu)域、泛素相關(guān)(ubiquitin-associated，UBA)結(jié)構(gòu)域、Npl4鋅指(Npl4 zinc finger)結(jié)構(gòu)域和 A20樣鋅指(A20-like zinc finger)結(jié)構(gòu)域。

OTUD7B的分子結(jié)構(gòu)包括 UBA、OTU、cytadhesin P30/P32和A20樣鋅指結(jié)構(gòu)域，見(jiàn)圖1。現(xiàn)已知UBA結(jié)構(gòu)域不直接影響OTUD7B的脫泛素酶活性，但可介導(dǎo)K63-多聚泛素鏈解離，影響NF-κB信號(hào)通路[9]；OTU結(jié)構(gòu)域發(fā)揮主要的DUB活性[10]；cytadhesin P30/P32結(jié)構(gòu)域參與細(xì)胞黏附；A20樣鋅指結(jié)構(gòu)域參與泛素鏈結(jié)合。

Figure 1.The structure of OTUD7B.

圖1 OTUD7B分子結(jié)構(gòu)示意圖

1.2OTUD7B催化K11-、K48-和K63-多聚泛素鏈水解 根據(jù)泛素連接方式不同，多聚泛素鏈共有8種類(lèi)型：K6-、K11-、K27-、K29-、K33-、K48-、K63-和M1-多聚泛素鏈。K48-泛素化主要介導(dǎo)靶蛋白通過(guò)UPS降解，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性；K63-泛素鏈通過(guò)非降解機(jī)制介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞；K11-多聚泛素鏈的功能研究目前尚不十分清楚。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，OTUD7B可特異性靶向K11-多聚泛素鏈，催化K11-脫泛素化過(guò)程[11]。晶體結(jié)構(gòu)分析顯示，K11-泛素鏈可結(jié)合OTUD7B的酶催化S1位點(diǎn)OTUD7B[12]。OTUD7B通過(guò)調(diào)節(jié)HIF-1α分子K11-脫泛素化，抑制缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)通過(guò)UPS非依賴途徑降解[13]。OTUD7B也可與UBE2S/E2-EPF和UBE2C/UbcH10共同調(diào)節(jié)有絲分裂后期促進(jìn)復(fù)合體(anaphase-promoting complex，APC/C)的K11-多聚泛素鏈的脫泛素化和泛素化過(guò)程，影響其穩(wěn)定性，參與細(xì)胞周期調(diào)控和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解(endoplasmic reticulum-associated degradation，ERAD)[14-17],見(jiàn)圖2。

盡管體外實(shí)驗(yàn)和晶體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，與其他7種泛素鏈相比，OTUD7B更容易結(jié)合并水解K11-多聚泛素鏈，一些細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)OTUD7B也可靶向細(xì)胞內(nèi)蛋白的K48-和K63-多聚泛素鏈，促進(jìn)靶蛋白脫泛素化并調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[18]。OTUD7B還可直接作用于E3連接酶，催化腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3(tumor necrosis factor receptor-associated factor 3，TRAF3)的K48-多聚泛素鏈解離，抑制TRAF3通過(guò)UPS降解[10]。在低氧條件下，OTUD7B可以誘導(dǎo)TRAF6分子K63-脫泛素化，調(diào)節(jié)NF-κB活化。TNFα可刺激OTUD7B募集到TNFR并催化K63-多聚泛素鏈與RIP解離[18]。OTUD7B也可以使GβL發(fā)生K63-脫泛素化，促進(jìn)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)復(fù)合體2(mTOR complex 2, mTORC2)的穩(wěn)態(tài)和活性[19],見(jiàn)圖2。

2 OTUD7B與腫瘤的發(fā)生發(fā)展

2.1OTUD7B誘導(dǎo)乳腺癌增殖和耐藥 OTUD7B在不同腫瘤中的作用不盡相同。OTUD7B在乳腺癌中高表達(dá)，并被證實(shí)與乳腺癌高侵襲性相關(guān)[20]。OTUD7B可催化乳腺癌細(xì)胞的表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)脫泛素化，抑制EGFR通過(guò)UPS降解，促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞增殖和存活[20]。在三陰性乳腺癌(triple-negative breast can-cer，TNBC)中，OTUD7B可通過(guò)負(fù)調(diào)節(jié)NF-κB-Lin軸，導(dǎo)致微小RNA(microRNA，miRNA，miR)let-7介導(dǎo)的caspase-3下調(diào)，促進(jìn)乳腺癌高侵襲性和紫杉醇耐藥[21]。

Figure 2.OTUD7B catalyzes deubiquitination.

圖2 OTUD7B催化的脫泛素化過(guò)程

2.2OTUD7B在肝癌中的作用 與乳腺癌不同，在肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)的研究發(fā)現(xiàn)，OTUD7B在HCC的表達(dá)水平明顯低于癌旁肝組織。OTUD7B水平越低的肝癌患者，其腫瘤越大、臨床分期越高、組織分化程度往往較低并伴有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，血管侵襲能力增加，伴有早期復(fù)發(fā)，預(yù)后較差[22]。OTUD7B可通過(guò)誘導(dǎo)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，抑制肝癌細(xì)胞的遷移和侵襲[23]。

2.3OTUD7B與肺癌 OTUD7B在肺癌中的表達(dá)和作用機(jī)制目前仍不十分清楚。有研究顯示，OTUD7B抑制H157非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞株的NF-κB核轉(zhuǎn)位發(fā)揮抑癌作用，參與紫杉醇和MEK抑制劑U0126聯(lián)合作用誘導(dǎo)的H157細(xì)胞死亡[24]。OTUD7B基因敲除小鼠用KRAS誘導(dǎo)的自發(fā)性肺癌發(fā)生率顯著下降[19]。OTUD7B在肺腺癌組織中高表達(dá)，OTUD7B表達(dá)水平與肺癌的不良預(yù)后呈正相關(guān)[25]。

2.4OTUD7B與其他腫瘤 OTUD7B在其他腫瘤中的作用尚未明確，但有研究表明，OTUD7B通過(guò)其脫泛素化修飾，調(diào)節(jié)性別決定區(qū)Y框蛋白2(sex determining region Y-box 2，SOX2)的穩(wěn)定性[26]。SOX2在乳腺癌、肺癌、胃腸道腫瘤、皮膚腫瘤、前列腺癌、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等多種類(lèi)型腫瘤中表達(dá)均上調(diào)，參與腫瘤生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移等過(guò)程，與不良預(yù)后及化療耐藥相關(guān)，因此，OTUD7B可能通過(guò)調(diào)節(jié)SOX2的穩(wěn)定性調(diào)控多種類(lèi)型腫瘤進(jìn)程[27]。

3 OTUD7B對(duì)腫瘤功能的調(diào)控

3.1促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移 EGFR信號(hào)活化過(guò)程往往伴隨一些E3泛素酶，如CBL，迅速結(jié)合活化的EGFR并介導(dǎo)EGFR通過(guò)UPS降解，從而快速終止EGFR信號(hào)的持續(xù)活化[28]。OTUD7B通過(guò)其OTU結(jié)構(gòu)域催化EGFR脫泛素化，抑制EGFR降解，促進(jìn)EGFR下游分子持續(xù)活化[20]。在宮頸癌HeLa細(xì)胞和乳腺癌MDA-MB-468細(xì)胞中，EGF刺激OTUD7B與EFGR結(jié)合并抑制EGFR泛素化降解，增強(qiáng)乳腺癌細(xì)胞增殖和遷移，促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)和侵襲[20]。

胰島素樣生長(zhǎng)因子受體(insuline-like growth factor receptor，IGFR)激活下游磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)-絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(protein kinase B，PKB，即AKT) 1-mTOR通路和MAPK通路，調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞增殖、凋亡和存活。IGFR泛素化和脫泛素化的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)IGF信號(hào)途徑的觸發(fā)和終止調(diào)節(jié)也至關(guān)重要[29]。肺腺癌組織中，OTUD7B和IGFR表達(dá)呈正相關(guān)[25]，提示OTUD7B可能是調(diào)節(jié)IGFR信號(hào)通路的一種重要分子，其分子作用機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。

轉(zhuǎn)錄因子SOX2主要經(jīng)Shh、Wnt、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(fibroblast growth factor receptors，F(xiàn)GFR)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor beta，TGF-β)信號(hào)通路活化，誘導(dǎo)下游促細(xì)胞存活、生長(zhǎng)、增殖基因的轉(zhuǎn)錄[30]。泛素連接酶和脫泛素酶共同調(diào)節(jié)SOX2的穩(wěn)定性，從而影響腫瘤干細(xì)胞的特性，促進(jìn)多種腫瘤的生長(zhǎng)、侵襲和轉(zhuǎn)移能力，影響預(yù)后轉(zhuǎn)歸[26]。

3.2促進(jìn)腫瘤發(fā)生 mTOR是細(xì)胞生長(zhǎng)和多條代謝途徑調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子。mTOR可形成2種復(fù)合物：mTORC1和mTORC2[31-32]。mTORC1對(duì)雷帕霉素敏感，能磷酸化S6K1和4E-BP1促進(jìn)蛋白質(zhì)翻譯[33]；mTORC2主要響應(yīng)細(xì)胞外生長(zhǎng)因子信號(hào)通路，如PI3K信號(hào)。OTUD7B通過(guò)靶向mTORC1和mTORC2共有成分GβL分子K63-多聚泛素鏈，催化GβL脫泛素化，引發(fā)mTORC1解離，促進(jìn)mTORC2形成，激活下游Akt信號(hào)，促進(jìn)腫瘤發(fā)生[19]。

3.3細(xì)胞周期的調(diào)節(jié) 細(xì)胞分裂增殖的過(guò)程中，APC/C作為一種E3連接酶，促進(jìn)有絲分裂細(xì)胞周期蛋白的降解，調(diào)節(jié)周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)活性，控制細(xì)胞周期依賴性鈣振蕩(cell cycle-dependent calcium oscillation)[15, 34]。OTUD7B可拮抗APC/C的泛素化作用，催化K11-多聚泛素鏈解離，抑制APC/C介導(dǎo)的有絲分裂進(jìn)程和微核形成，抑制腫瘤細(xì)胞增殖[16]。

4 OTUD7B調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境

4.1經(jīng)典N(xiāo)F-KB信號(hào)影響腫瘤發(fā)生發(fā)展 泛素化和脫泛素化調(diào)控在NF-κB信號(hào)激活的多個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[4, 35-37]。非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞株H157中，OTUD7B抑制NF-κB核轉(zhuǎn)位，降低IL-8和ICAM-1表達(dá)。耐藥基因DJ-1結(jié)合OTUD7B并抑制其脫泛素酶活性[24]。在缺氧條件下，OTUD7B可抑制RelA磷酸化和TRAF6泛素化，抑制NF-κB核轉(zhuǎn)位，減少缺血再灌注反應(yīng)中的炎癥和損傷[38]。TNF-α誘導(dǎo)HEK293細(xì)胞和人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞中OTUD7B表達(dá)，OTUD7B通過(guò)其OTU結(jié)構(gòu)域催化K48-和K63-脫泛素化，負(fù)反饋抑制TNFα誘導(dǎo)的IKK活化、IκBα磷酸化降解和NF-κB核轉(zhuǎn)位[18]。

4.2非經(jīng)典N(xiāo)F-κB信號(hào)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng) 與經(jīng)典N(xiāo)F-κB不同，非經(jīng)典N(xiāo)F-κB信號(hào)途徑主要調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)功能[39]。非經(jīng)典N(xiāo)F-κB激活主要表現(xiàn)為抑制性蛋白的降解：非激活狀態(tài)下，TRAF3與TRAF2-cIAP1/2形成E3復(fù)合體，降解非經(jīng)典N(xiāo)F-κB途徑關(guān)鍵激酶——NF-κB誘導(dǎo)激酶(NF-κB-inducing kinase，NIK)；信號(hào)激活時(shí)，TRAF3等抑制性蛋白被泛素化降解，NIK的抑制解除，NIK活化并向下傳遞細(xì)胞信號(hào)[37]。OTUD7B可通過(guò)其N(xiāo)-端UBA結(jié)構(gòu)域結(jié)合TRAF3并催化其K48-脫泛素化，抑制TRAF3進(jìn)入U(xiǎn)PS降解途徑[10]。OTUD7B基因敲除的小鼠中，B淋巴細(xì)胞發(fā)生抗原超應(yīng)答，小腸黏膜淋巴濾泡增生，對(duì)腸道細(xì)菌Citrobacterrodentium的防御能力增強(qiáng)[10]。OTUD7B通過(guò)調(diào)節(jié)TRAF3穩(wěn)定性參與機(jī)體免疫調(diào)節(jié)，有望成為針對(duì)黏膜免疫治療和非經(jīng)典N(xiāo)F-κB信號(hào)相關(guān)疾病治療的新靶點(diǎn)。

4.3調(diào)節(jié)腫瘤血管新生 惡性實(shí)體腫瘤的生長(zhǎng)過(guò)程面臨著氧氣和營(yíng)養(yǎng)需求不斷增長(zhǎng)和供應(yīng)不足的矛盾。當(dāng)供氧不足時(shí)，HIF-1α亞基泛素化降解受到抑制，其細(xì)胞內(nèi)蛋白水平迅速升高，啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控程序上調(diào)各種促血管新生因子的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞存活，加速腫瘤新生血管形成[40-41]。OTUD7B可結(jié)合HIF-1α并促進(jìn)其K11-脫泛素化，維持HIF-1α蛋白穩(wěn)定性，影響 HIF-1α介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄[13]。盡管HIF-1α和HIF-2α在基因序列上有很多相似性，但在組織分布和功能特性上有著明顯的差異[42]。OTUD7B并不能直接調(diào)節(jié)HIF-2α蛋白水平，而是通過(guò)調(diào)控其上游轉(zhuǎn)錄因子E2F1的脫泛素化，維持E2F1穩(wěn)定性，間接調(diào)控HIF-2α基因轉(zhuǎn)錄[43]。

4.4T細(xì)胞免疫反應(yīng)和T細(xì)胞功能的調(diào)節(jié) T細(xì)胞在抗感染和抗腫瘤免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。外界抗原通過(guò)T細(xì)胞受體(T-cell receptor，TCR)激活初始T細(xì)胞(naive T cells)，啟動(dòng)T細(xì)胞分化[44]。在TCR與配體結(jié)合活化后，OTUD7B可迅速募集到TCR信號(hào)核心分子酪氨酸激酶Zap70上并使其發(fā)生脫泛素化，從而抑制Zap70泛素化，阻止負(fù)性調(diào)節(jié)的磷酸酶Sts1和Sts2與Zap70相互作用，促進(jìn)Zap70磷酸化和TCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而促進(jìn)T細(xì)胞活化和T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)和自身免疫反應(yīng)[45]。

5 總結(jié)

OTUD7B是一種重要的脫泛素酶，通過(guò)靶向K11-、K48-和K63-連接的多聚泛素鏈，特異性調(diào)控底物蛋白的泛素化水平，參與細(xì)胞增殖、炎癥反應(yīng)、腫瘤血管生成和抗腫瘤免疫等多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)節(jié)(表1)，在肺癌、乳腺癌和肝癌等惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。OTUD7B的表達(dá)模式和作用機(jī)制受到局部細(xì)胞和組織內(nèi)環(huán)境的影響，深入認(rèn)識(shí)OTUD7B調(diào)控細(xì)胞生物學(xué)行為的分子機(jī)理，尋找其影響惡性腫瘤進(jìn)程的組織特異性機(jī)制，有助于揭示惡性腫瘤泛素化調(diào)節(jié)的內(nèi)在規(guī)律，為開(kāi)發(fā)靶向OTUD7B的抗腫瘤治療藥物提供有力的線索和依據(jù)。

表1 OTUD7B介導(dǎo)的腫瘤相關(guān)信號(hào)通路