【www.419net】从而揭示出了TORC1信号传递中Ego3的分子作用机制,介导的 RIPK1 泛素化能够抑制 RIPK3

FADD是死亡受体介导的细胞凋亡途径的一个重要信号接头蛋白,是一个公认的经典凋亡蛋白分子。多年来,南京大学生命科学院华子春教授课题组独辟蹊径、努力探索和挖掘国际上这一公认的细胞死亡蛋白在细胞凋亡以外的新生物学功能。最近,华子春课题组经过长期、艰苦的潜心研究和摸索,围绕FADD的新生物学功能取得了三项研究进展。

TORC1通过胞吞作用实现对质膜成分调控
来自中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所,瑞士弗里堡大学的研究人员发现了一种关键信号通路:TORC1途径中的组成元件EGO复合物的作用新机制,通过指出这种蛋白组件参与TORC1氨基酸信号传递过程中的结构特点,从而揭示出了TORC1信号传递中Ego3的分子作用机制。相关成果公布在Structure杂志上。文章的通讯作者分别是生物化学与细胞生物学研究所的研究组长丁建平研究员,以及弗里堡大学Claudio
De
Virgilio,其中丁建平研究员主要从事真核基因表达调控的结构生物学方面的研究,近五年来发表研究论文50多篇,其中包括Science、Nature、Nature
Struct Mol Biol、Blood、PNAS、EMBO J、Nucleic Acids Res、J Biol Chem、J
Immunol、Structure、Cell Res、Biochem
J等。其研究组的这些研究工作不仅促进了人们对参与真核基因表达调控的一些重要蛋白质的生物功能、分子机理、结构和功能关系的认识,同时还为探索与这些蛋白质的功能失调相关疾病的发病机理、寻找疾病诊断的新靶标和新方法、设计和研发治疗疾病的药物等奠定了分子基础。酵母EGO复合物由GTR1,GTR2,Ego1和Ego3组成,主要定位于细胞内体以及液泡膜内,能将氨基酸信号传递给TORC1,因此在细胞生长和细胞自噬调控过程中扮演重要的角色。在这篇文章中,研究人员报道了野生型和突变型酿酒酵母Ego3的晶体结构。据研究人员分析,这种复合物具有一种类似于哺乳动物MP1-P14异源二聚体,以及酵母GTR1-GTR2异源二聚体C-末端结构域的同型二聚体结构,而这两者恰巧参与了TORC1信号通路。此外研究人员还进一步通过结构和遗传数据分析,证明了Ego3的特殊二聚体构象是EGO复合物行使功能必不可少的元件。同时结构和功能的数据也在GTR1
GTR2上找到的一个可能的结合位点。这些结果表明了这种蛋白组件参与TORC1氨基酸信号传递过程中的结构特点,也揭示出了TORC1信号传递中Ego3的分子作用机制。TORC1是由TOR与Raptor,mlsT8形成的蛋白复合体,能够整合细胞生长因子、激素、ATP和氨基酸等多种外界环境的信号,控制细胞的蛋白合成和细胞自噬等生理功能。由于通过TORC1的研究,能揭示环境对于细胞的影响,分析环境因素如何调节细胞生长和凋亡的过程,因此不少科学家聚焦于这一信号通路,然而目前关于应激条件下这一信号通路的作用方式,科学家们了解的还并不是十分清楚。为了进一步探索这一分子机制,许多研究人员展开了研究,比如去年来自美国康奈尔大学的研究人员就发现了TORC1能通过泛素介导的胞吞作用,实现对质膜成分的调控。这是TORC1研究领域中的一项重大成果。研究人员发现了在营养应激环境下,TORC1通过调控泛素介导的胞吞作用,调整质膜成分的分子机制当细胞营养充足时,TORC1激酶信号通路处于处于开启状态,通过抑制胞吞负调控因子Npr1转而激活下游Art1,促进胞吞作用,清除了细胞表面的特异性蛋白。当细胞处于饥饿状态时,TORC1激酶信号通路关闭,无法抑制Npr1,从而导致Art1与质膜分离抑制了Art1介导的胞吞作用。这一研究证实TORC1通过泛素介导的胞吞作用实现了对质膜成分的调控。这一研究发现表明TORC1在蛋白合成和自噬之外,还通过胞吞机制参与调控了细胞生长。
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9 月 13 日,国际学术期刊《自然 –
通讯》在线发表了中国科学院营养与健康研究所章海兵研究组的最新研究成果
“Ubiquitination of RIPK1 suppresses programmed cell death by regulating
RIPK1 kinase activation during embryogenesis”。该研究揭示了重要激酶蛋白
RIPK1 通过 K376
位点的泛素化修饰,调控细胞生存与死亡命运转换的关键分子机制,为相关疾病的治疗提供了新的思路。细胞死亡是多细胞生物体维持自身稳态与正常发育的基本生命活动,人类多数疾病从根本上说归因于细胞死亡异常。RIPK1
蛋白是调控细胞凋亡、细胞程序性坏死以及炎症信号通路中的关键分子,参与胚胎发育、造血系统发育以及免疫稳态维持等多种重要生物学过程,最近有报道发现
RIPK1 基因突变的病人同时表现自身免疫缺陷及自身炎症性疾病,提示 RIPK1
在人体免疫调控中具有关键作用,而且靶向 RIPK1
的小分子药物治疗渐冻症、风湿性关节炎以及结肠炎等疾病也在临床试验阶段。分子机理研究显示,RIPK1
一方面通过参与介导 NF-kB 及 MAPK
信号通路促进细胞存活及炎症反应,另一方面 RIPK1 可以通过与 FADD、Caspase8
等分子互作介导细胞凋亡,而当凋亡通路被抑制时,RIPK1 可以通过与 RIPK3
结合形成坏死小体,激活下游 MLKL 诱导细胞程序性坏死的发生。而目前对 RIPK1
在不同应激条件下如何通过转换不同的信号通路而决定细胞存活或死亡,这个关键的生死转换的分子机制仍不清楚。

该课题组青年教师庄红芹在国际上首次发现FADD具有调控脂代谢的新功能,其分子机制是通过FADD调控细胞内脂肪代谢途径中关键转录因子PPARα的转录活性来实现的(EMBO
Mol Med. 2016 Aug 1;
8:895-918)。研究发现FADD磷酸化或FADD脂肪组织特异性缺失均可以逆转高脂饮食喂养或者瘦素基因缺失引起的小鼠肥胖表型,研究成果可能对肥胖症或者脂代谢综合症的临床治疗具有指导意义。该结果于2016年8月在EMBO
Mol Med正式刊出。

章海兵课题组的研究人员发现 RIPK1 的一个主要的泛素化位点 Lys376
的泛素化修饰是决定细胞命运的关键。Lys376 是 RIPK1
蛋白上的重要泛素连接位点,可以通过连接 K63 泛素链招募下游 IKK
复合体,从而激活 NF-kB 信号通路。利用 CRISPR-Cas9
基因编辑系统,研究人员构建了 RIPK1 K376R
位点突变的小鼠,并意外地发现纯合突变的小鼠在胚胎发育至 12.5
天时死亡。研究人员进一步发现,从突变小鼠胚胎分离的成纤维细胞对于 TNF-a
介导的细胞凋亡和细胞坏死表现出较野生型细胞更强的敏感性,而 RIPK1
的激酶抑制剂 Necrostatin-1
能够有效抑制突变细胞的过度死亡。因此,该突变引起的小鼠胚胎致死可能是过度激活了
RIP1
激酶活性依赖的细胞凋亡和细胞坏死。为了在体内验证这一推测,研究人员对突变小鼠进行了药物干预,发现
Necstatin-1
能够有效延迟小鼠的胚胎期死亡。而在突变小鼠的背景下同时敲除介导细胞凋亡的蛋白
FADD 和介导细胞坏死的蛋白 RIPK3 或 MLKL
能够使突变小鼠存活至成年。而当小鼠仅携带一半剂量的突变基因时,该小鼠也能够存活至成年。这些结果说明,在胚胎正常发育过程中,Lys376
介导的 RIPK1 泛素化能够 “关闭”RIPK1
的激酶活性,从而抑制细胞异常的细胞凋亡和程序性坏死,保证胚胎的正常发育。此外,研究人员发现在突变小鼠的基础上敲除
TNFR1
也能够阻止突变小鼠的胚胎致死,但是该双突变小鼠在出生后两周内会发生严重的系统性炎症。研究人员意外地发现这种严重的系统性炎症是依赖于
RIPK3 的,敲除 RIPK3
可以显著抑制这种系统性炎症疾病的发生。这些结果说明,在小鼠出生后,Lys376
介导的 RIPK1 泛素化能够抑制 RIPK3
依赖的系统性炎症。综上所述,该研究通过对 RIPK1 Lys376
位点体内功能的研究,阐明了这一重要位点通过调控 RIPK1
的激活介导的细胞死亡及炎症信号通路,从而调控胚胎发育和炎症性疾病的分子机制,为今后探究
RIPK1
的泛素化修饰在相关疾病中的作用以及寻找潜在药物靶点提供了新的思路。值得关注的是,Nature
Communications 同期在线发表了清华大学教授林欣课题组关于 RIPK1
调控相同结论的研究论文。

该课题组硕士研究生刘颖婷首次发现FADD可调控肿瘤细胞的迁移过程,这种新功能与FADD调控经典细胞迁移相关分子FAK的表达水平有关;进一步研究发现这种调控作用是由miR-7a所介导的。该结论获得了临床肿瘤样品数据的支持。该研究成果对于恶性肿瘤转移的治疗具有一定的指导意义。该工作于2016年6月在线发表在Oncotarget(Oncotarget.
2016 Jun 6. doi:
10.18632/oncotarget.9838)。课题组另一位硕士研究生何良强利用蛋白质组学技术、在乳腺癌细胞中发现FADD参与细胞自噬过程(Oncotarget.
2016;
7:24572-84.)。进一步的分子机制研究发现FADD通过调控Rheb-mTORC1信号通路来调节细胞的自噬过程,这一发现揭示了FADD在肿瘤发生过程中的重要作用。

【www.419net】从而揭示出了TORC1信号传递中Ego3的分子作用机制,介导的 RIPK1 泛素化能够抑制 RIPK3。章海兵为文章的通讯作者,课题组的博士研究生张希希和张海威为文章的共同第一作者。该研究得到中科院生物化学与细胞生物学研究所研究员周斌、上海巴斯德研究所研究员王海坤、华东师范大学教授李大力、营养与健康所研究员丁秋蓉和应浩,以及上海交通大学教授王慧的大力支持。同时,该研究得到国家自然科学基金委、科技部重大研发计划的资助以及营养与健康所公共技术平台的支持。

华子春课题组的研究大大拓展了人们对于经典死亡蛋白FADD的生物学功能的认识,深化了人们对FADD结构与功能关系的了解,向人们展示了细胞凋亡途径与更多的非凋亡信号途径及生物学过程的内在联系及交互作用,揭示FADD与肥胖、肿瘤等重大疾病的关系及其作为药物靶点和干预手段的应用前景。

(生命科学学院 科学技术处)

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