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USP22通过调节细胞增殖和DNA修复作为前列腺癌的致癌驱动因子

2023-11-20 19:50 作者:安提海拉生物  | 我要投稿

写在前面

        今天推荐的是由宾夕法尼亚州费城Sidney Kimmel医学院癌症生物学系在2019年12月18日发表于Cancer Research(2020IF:12.702,JCRQ1)的一篇文章,通讯作者是Karen E. Knudsen教授,研究表明USP22通过调节细胞增殖和DNA修复作为前列腺癌的致癌驱动因子。

研究背景

        泛素特异性肽酶 22 (USP22) 的高表达与多种肿瘤类型的不良预后有关。新出现的证据表明,去泛素化酶USP22调节靶底物的转录激活和修饰,以促进促癌表型。

摘要部分

        在这里,作者进行了肿瘤相关USP22上调的体内表征和体外USP22调节功能的证明,表明USP22在前列腺癌中的关键作用。具体而言,临床数据集证实USP22表达在前列腺癌中升高。在USP22过表达或敲低后,作者使用临床相关的前列腺癌模型在USP22敏感的转录组和泛素组中观察到细胞周期和DNA修复途径的差异。USP22的敲低使细胞对基因毒性损伤敏感,来自USP22表达的小鼠模型的小鼠成纤维细胞进一步证实了USP22在响应基因毒性损伤中的作用。作者进一步通过对USP22敏感的泛素组的分析,确定核苷酸切除修复蛋白XPC是USP22介导的对基因毒性损伤反应的关键介质。因此,由于USP22功能,XPC经历去泛素化并促进USP22介导的DNA损伤。综合起来,这些发现揭示了USP22作为促肿瘤发生的功能,并对USP22在治疗中的作用具有重要意义。

研究内容

1.USP22改变发生在前列腺癌的各个阶段,并与疾病进展相关

        USP22的表达与肿瘤不良预后有关。然而,USP22在癌症中的功能的潜在机制仍未了解。最近对基因组和转录组临床标本研究的分析显示,在原发性和晚期前列腺癌中观察到USP22改变。前列腺癌细胞依赖AR进行增殖和存活,并且AR与c-Myc协同推动疾病进展。USP22调节AR和MYC活性,并且USP22 mRNA表达与AR和MYC mRNA表达呈正相关,进一步支持USP22在AR和MYC表达升高的肿瘤中的促癌作用。此外,与其他与疾病进展相关的致癌因素不同,USP22的改变与AR和MYC的改变同时发生,进一步表明USP22在前列腺癌进展中的功能。与之前的观察结果一致,表明USP22表达对体外和体内的去势抵抗疾病(CRPC)维持至关重要,且USP22扩增或mRNA上调与初级无进展生存期降低相关。此外,随着格里森等级的增加,USP22表达升高,说明USP22与侵袭性表型相关联。最后,在临床标本中,分析显示USP22在mRNA水平上最常被扩增或上调。

图1.USP22改变发生在前列腺癌各个阶段

研究结论:这些数据扩展了先前的发现,将USP22作为前列腺癌的促癌因子,进一步强调了识别USP22功能的必要性。

 

2.USP22调节DNA损伤后修复因子的表达和存活

        虽然最初的研究将USP22确定为AR和MYC的调节剂,但USP22促进疾病进展的总体机制仍不清楚。作者构建了诱导USP22表达提高或下调的细胞。通过GSEA确定细胞周期和DDR相关通路发现两者之间存在显著差异,包括DNA复制、碱基切除修复、细胞周期、NER、错配修复、同源重组和p53信号传导。鉴于这些发现,在等基因模型中研究了对USP22下调和上调的细胞反应。与对照相比,HT敏感(LNshUSP22)和CRPC(C42-shUSP22)细胞系中强力霉素诱导的USP22敲低分别使细胞生长降低了1.4倍和2.4倍。此外,与多西环素处理的对照相比,LN-shUSP22和C42-shUSP22在辐照后细胞生长下降。在CRPC细胞和HT敏感细胞中,辐照导致USP22敲低后细胞存活率降低。此外,响应辐射的USP22过表达后存活率增加1.7倍,进一步表明USP22在对DNA损伤剂的反应中的作用。由于USP22敏感转录组中的多个DNA修复途径发生了改变,因此还使用化学治疗剂顺铂研究了USP22敲低的反应,顺铂可诱导链间和链内交联,最终导致双链和单链断裂。与对照相比,USP22敲低联合顺铂处理使LN-shUSP22和C42-shUSP22模型中的细胞生长显著降低。此外,在CRPC细胞中,USP22敲低降低了对顺铂的反应,表明DNA损伤后细胞存活需要USP22。

图2.USP22在DNA损伤后调节DNA修复因子的表达和存活

研究结论:USP22在DNA修复因子表达和基因毒性损伤后细胞存活中的作用。

 

3.USP22赋予体内过度增殖表型和基因毒性损伤的生存优势     

        观察到USP22上调是原发性和晚期前列腺癌中最常见的USP22改变类型。因此,为了进一步描述USP22在肿瘤发展中的作用,设计了一种新型GEMM来模拟USP22体内上调。将Rosa26-Lox-Stop-Lox (3XFLAGUSP22 ) GEMM与前列腺特异性Probasin-cre(PB-Cre4)小鼠交配后,Rosa26 (3XFLAGUSP22)小鼠在小鼠前列腺叶(PbCre/USP22)中表达3XFLAG-USP22,而没有在WT小鼠中观察到表达。虽然人USP22的表达没有明显改变苏木精和伊红染色的小鼠前列腺叶的组织学外观,但通过Ki67的免疫染色,可以观察到前部和腹侧的前列腺细胞出现了过度增殖表型,进一步支持USP22在细胞周期调节中的作用,并与人类前列腺癌模型中发现的途径一致。因此,人USP22在体内的前列腺特异性表达支持USP22在驱动异常细胞增殖中的作用。

        作者随后构建了GFP表达(GFP)或人USP22表达永生化MAF。与体内高增殖表型一致,与GFP对照组相比,人USP22表达使hUSP22 MAF的相对细胞数增加了3.1倍。另一方面,hUSP22 MAFs与GFP MAFs相比,辐照后细胞数量和存活率明显增加,进一步说明USP22在调节对DNA损伤剂的反应方面的作用。由于前列腺癌模型显示USP22敲低后对顺铂的敏感性增加,作者使用hUSP22 MAFs,一种肿瘤相关的USP22上调模型,在顺铂治疗后显示生存率增加。

图3.人USP22表达赋予体内过度增殖表型和基因毒性损伤的生存优势

研究结论:USP22中的临床改变可驱动体内过度增殖表型以及基因毒性损伤后的细胞存活。

 

4.USP22敏感泛素组揭示DNA修复相关蛋白的修饰改变

        上述数据表明USP22可能影响DDR相关通路。USP22作为去泛素化酶,从底物蛋白中去除泛素部分,从而影响下游信号通路。作者对具有USP22敲低(shUSP22)或USP22过表达(USP22)的LNCaP细胞进行Ubiscan分析以定义USP22敏感的泛素组,H2A和H2B都被证实在USP22调节后差异泛素化。USP22敲低后,与对照相比,许多DNA修复相关肽表现出增加的泛素化,包括非同源末端连接因子、DNA-PK以及NER因子、XPC和RAD23B。为了确定可能受USP22直接调节的变化,作者对数据进行了分析,仅包括在敲低USP22时泛素化增加和USP22过表达时泛素化减少的蛋白质。在这些差异泛素化的USP22靶标中,鉴定了许多DNA修复蛋白,包括XPC和RAD23B。由于USP22敲低使细胞对顺铂敏感且USP22过表达导致顺铂耐药性增强,NER传感器XPC被指定为USP22酶功能的直接靶标,可能介导USP22依赖性DNA损伤反应。

图4. USP22敏感的泛素组揭示了DNA修复相关蛋白的改变修饰

研究结论:对USP22敏感泛素组的分析确定了负责USP22介导的对基因毒性损伤的反应的潜在USP22底物,并且NER通路的改变被确定为这些表型的基础。

 

5.USP22去泛素化核苷酸切除修复蛋白XPC,调节病灶形成     

        NER蛋白XPC被鉴定为USP22敏感泛素组中去泛素化酶USP22的直接靶标。XPC负责通过其结合伙伴RAD23B和Centrin-2在全基因组NER中感知和识别DNA损伤。在有效的NER期间,XPC的DNA结合通过多泛素化增强,而这被去泛素化逆转以促进受损病灶的有效修复。除了在NER中的作用外,在XPC敲低时观察到对依托泊苷和γ辐射的敏感性增加,表明XPC在有效的DSB修复中发挥作用。另一方面,XPC中的种系突变也与侵袭性疾病和早发性前列腺癌有关。通过对USP22敏感泛素组的评估进行优先排序,发现XPC在HT敏感LN-USP22hi和CRPCC42-USP22hi模型中与USP22相互作用。USP22和XPC之间的相互作用也发生在GEMM衍生的MAF、GFP和hUSP22细胞中。值得注意的是,虽然XPC蛋白水平在USP22调节后保持不变,但XPC被确认为USP22去多聚泛素化的下游靶标,因为在过表达USP22的前列腺癌细胞中观察到多泛素化XPC减少。USP22在不增加蛋白质半衰期的情况下诱导XPC去泛素化,表明USP22可能通过去多聚泛素化调节XPC活性。

        为了探索这一假设,研究了XPC敲低对USP22过表达细胞的生物学影响。在测试的模型中,XPC敲低对细胞数量没有影响。然而,XPC敲低使照射后细胞数量减少了1.3倍,这在USP22过表达后得到缓解,表明XPC在照射后的细胞反应中发挥作用,可以通过USP22过表达来挽救。XPC活性通过识别DNA损伤和在受损病灶处的有效结合促进DNA修复,照射后染色质上观察到XPC增加,进一步表明DNA损伤后XPC活性增加。因此,与对照相比,还观察到LNUSP22hi细胞中的XPC病灶形成增加。USP22敲低后,在LN-shUSP22和C42-shUSP22细胞中均观察到XPC病灶形成减少,表明XPC病灶形成需要足够的USP22表达。辐照处理后,与相应对照相比,LNUSP22hi和C42-USP22hi细胞中的XPC病灶显着增加,而LNshUSP22和C42-shUSP22中的XPC病灶减少,表明USP22在基础上调节XPC活性并响应基因毒性损伤。此外,USP22的敲低导致环丁烷嘧啶二聚体(CPD,一种已知的NER底物)的不完全修复,在损伤后48小时,CPD增加了3.5倍。

图5.USP22去泛素化核苷酸切除修复蛋白XPC,调节病灶形成

研究结论:USP22通过XPC调节NER来调节对基因毒性损伤的反应。

 

结论与讨论

        总之,这些研究揭示了关于USP22在恶性肿瘤中的分子功能的新见解。所提交的数据表明,USP22在人类前列腺癌中是失调的, USP22有可能通过调节XPC来调节细胞增殖和DNA修复。这些发现确定了USP22驱动促癌功能的关键机制,并将USP22推定为一个有前景的治疗靶标。

 

Thank you!


原文链接:https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-19-1033


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