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PNAS:冯新华组揭示Smad7非依赖TGF-β通路调控干细胞多能性的新机制

TGF-β超家族信号通路参与了广泛的生物学过程,对调控早期胚胎发育、细胞的生长、干细胞的自我更新、肿瘤的发生发展等具有十分重要的调控作用。作为TGF-β超家族信号通路中抑制性的SMADs(Inhibitory SMADs, I-SMADs),Smad7过去一直被认为是TGF-β信号通路重要的负反馈调节因子,然而对于Smad7是否有不依赖于TGF-β信号通路的重要功能并不十分清楚。9月5日,浙江大学生命科学研究员冯新华教授课题组在PNAS杂志在线发表了题为“Smad7 enables STAT3 activation and promotes pluripotency independent of TGF-β signaling”的研究论文,揭示了Smad7能够通过TGF-β非依赖的方式与STAT3信号相互作用来调控干细胞的自我更新与分化,有力的拓展了Smad7全新的功能,并且暗示了这一全新的分子机制极有可能在炎症反应以及肿瘤中有更为广泛的影响。

论文解读:

人基因组编码了33个转化生长因子-β(TGF-β)超家族成员,包括TGF-β/Activin/Nodal以及BMP,它们对于维持干细胞的全能性以及在发育过程中决定细胞命运都至关重要。TGF-β超家族需要依靠细胞内的R-Smads蛋白传递信号,比如TGF-β/Activin/Nodal能够激活Smad2和Smad3,BMP能够激活Smad1、Smad5和Smad8( SMAD 家族蛋白共有 8 个,细分为三类:受体激活型 SMAD,R-SMADs;通用伴侣型 SMAD,Co-SMAD);抑制型 SMAD, I-SMADs)。Smad7能够被TGF-β超家族的所有成员诱导表达,并且在多个水平上抑制TGF-β信号通路,所以它被认为是TGF-β信号通路重要的负反馈调节因子(图1)。


图1  Smad7反馈抑制TGF-β信号通路

Smad7最主要的作用机制是通过招募E3连接酶Smurf1/2或者Nedd4-2到 TGF-β受体,导致受体的泛素化降解。另外,Smad7可以被其它细胞因子(如EGF、IFN-γ、IL-1以及TNF-α)诱导表达,从而抑制TGF-β/BMP信号,它也可以调控TNF-α/NF-κB、JNK/p38以及Wnt等其他重要的信号通路。不过Smad7对其他信号通路的调控基本都是通过抑制TGF-β/BMP信号间接实现的。另外,有关Smad7在胚胎干细胞(ESC)中的功能也有报道。比如,Smad7可以控制人ESC向端脑方向分化,促进小鼠造血干细胞的自我更新。但是,Smad7是否能够通过TGF-β非依赖的方式来调控干细胞的自我更新与分化,这个问题目前并不清楚。

早前的研究表明,白血病抑制因子(LIF)对于维持小鼠ESC的全能性至关重要。LIF属于IL-6细胞因子家族,能够通过共同受体gp130以及STAT3传递信号。当LIF与异源二聚受体复合物(gp130和LIFR)结合后,偶联在受体胞内段的酪氨酸激酶JAK被激活,并且磷酸化gp130胞内段的酪氨酸残基,从而为STAT3蛋白的SH2结构域提供了锚定位点。当STAT3结合到受体之后,被JAK磷酸化从而二聚化,进而转运入核,激活靶基因的转录。磷酸酶SHP2可以通过去磷酸化gp130,E3连接酶SOCS3可以通过负反馈机制抑制 STAT3激活,从而终止 STAT3信号通路。LIF激活的STAT3可以和转录因子Oct4、Sox2、Nanog以及Smad1/5/8协同作用,共同维持小鼠ESC的全能性。另外,STAT3可以促进TGF-β1以及Smad7的表达,并且与Smad3相互作用抑制TGF-β信号通路。虽然STAT3和TGF-β都可以诱导Smad7的表达,但是Smad7是否与STAT3信号通路存在直接的crosstalk,从而影响ESC的全能性,还有待阐明。

在冯新华课题组的这项研究中,研究人员首先发现Smad7在未分化的小鼠ESC中高表达,随着细胞的分化,其表达水平逐渐下降。在拟胚体(EB)分化实验中,过表达Smad7能够有效遏制干性基因的下降,从而维持细胞的全能性。而敲减Smad7会显着抑制小鼠ESC的自我更新,并且促进ESC向外胚层和中胚层分化。更重要的是,Smad7还会影响小鼠体细胞向iPSC重编程的过程。研究人员发现,在重编程的过程中,伴随着全能性基因的表达,Smad7的表达水平也会上升。如果敲减掉Smad7会明显减少iPSC克隆的形成。所以,不管是维持小鼠ESC的自我更新,还是提高体细胞的重编程效率,Smad7都起到了关键的调控作用。

考虑到Smad7最经典的功能就是TGF-β/BMP信号的抑制因子,所以一开始研究人员很自然地想到,Smad7很有可能是通过抑制TGF-β信号从而促进ESC的自我更新的。然而实验结果却很意外。通过使用TGF-β/BMP特异性的抑制剂,以及Smad7丧失其抑制TGF-β/BMP能力的点突变,都证明Smad7对ESC全能性的调控是不依赖于TGF-β/BMP信号通路的,这表明很有可能存在着一种全新的分子机制。

研究人员通过质谱方法分析了Smad7在小鼠ESC中潜在的相互作用蛋白,发现Smad7可能和gp130-STAT3信号通路存在直接的crosstalk。实验发现,Smad7果然能够在ESC中增强LIF激活的STAT3信号,并且同样也不依赖于TGF-β/BMP。那么,Smad7究竟是通过什么机制促进LIF-STAT3的呢?研究人员接下来又利用免疫共沉淀(Co-IP)的方法对gp130-STAT3信号通路中重要的蛋白进行了筛选,确认Smad7与共受体gp130存在直接相互作用。并且,Smad7在gp130上的结合区域恰好与gp130-STAT3的负调控因子SHP2/SOCS3的结合位点(Y759)重合。进一步的体外体内实验也都表明Smad7确实能够抑制SHP2/SOCS3与gp130的结合。最后还通过一系列实验证明了Smad7通过拮抗SHP2/SOCS3对LIF-STAT3信号通路的抑制作用,从而增强STAT3信号,维持ESC的自我更新(图2)。


图2  Smad7增强gp130-STAT3信号的分子机制

综上所述,该研究揭示了Smad7与STAT3信号的相互作用对于维持小鼠胚胎干细胞全能性的关键作用。我们知道,除了影响干细胞的全能性,TGF-β-Smad与gp130-STAT3信号通路的相互作用还存在于许多重要的生理病理过程。所以我们相信,这一全新的分子机制极有可能在炎症反应以及肿瘤中有更为广泛的影响。

参阅文献:Yi Yua, Shuchen Gu, Wenjian Li, et al. Smad7 enables STAT3 activation and promotes pluripotency independent of TGF-β signaling. PNAS. July 31, 2017 
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