NCB |管坤良組揭示YAP/TAZ參與熱應激調控的分子機制

2020-11-17 BioArt

撰文 | 圖南

責編 | 兮


熱休克（heat shock）是一種常見的生理及病理學應激反應，也被應用於疾病治療中。比如，熱療（Hyperthermia）就是通過提升腫瘤部位的體溫來實現，並在臨床上與放療與化療聯合使用。它能夠激活腫瘤細胞特殊的基因表達譜，抑制腫瘤血管生成並且激活免疫反應，從而最終達到殺死腫瘤細胞的目的。然而，熱療背後具體的分子機理尚待研究，不同腫瘤對於熱療的響應程度及參與這一過程的細胞信號通路均不清楚。


2020年11月16日，加州聖地牙哥分校的管坤良教授研究組在Nature Cell Biology上發表了題為「Heat stress activates YAP/TAZ to induce the heat shock transcriptome」的研究成果，揭示了Hippo信號通路在細胞熱激響應過程中的重要功能。



Hippo信號通路最早是在果蠅中被發現，在進化上高度保守，主要調控細胞的增殖分化及個體發育，決定了器官的大小及穩態。它由一系列的級聯激酶反應組成。在活化狀態下，激酶MTS1與MTS2或者MAP4Ks能夠磷酸化並激活下遊激酶LATS1和LATS2。而活化的LATS1/2進一步磷酸化兩個關鍵的轉錄共激活因子YAP/TAZ，從而是其失活。而在非活化狀態下，各級激酶失活，非磷酸化的YAP/TAZ進入細胞核，通過與TEAD轉錄因子家族共同作用，激活下遊基因表達。


管坤良教授組深耕Hippo信號通路多年。他們為了發掘Hippo通路新的調控信號，試驗了多種應激條件，最後發現熱激能夠顯著的促進YAP的127位絲氨酸的去磷酸化。數據表明，在HEK293A和A549細胞系中，43℃處理會使得細胞在30分鐘內迅速地將YAP完全去磷酸化，同時也能夠降低LATS1蛋白表達水平，但是不影響其更上遊的MTS1/2和MAP4Ks。同時， 研究人員檢測到熱激之後，去磷酸化的YAP從細胞質中轉移到細胞核內，激活了其下遊基因的轉錄。而將細胞從43℃移回37℃培養之後，YAP又可以重新被磷酸化，說明這種調節是可逆的。值得注意的是，YAP的去磷酸化早於LATS1蛋白水平的下降，說明熱激是能夠快速使LATS1失去激酶活性。進一步研究表明，在熱激15分鐘左右，細胞內的LATS1的磷酸化水平顯著降低，而蛋白水平依舊維持在60%左右的水平，說明了LATS1是先快速失活，隨後再被降解的。通過表徵LATS1的泛素化水平及對細胞進行MG132抑制劑處理，研究人員證明了熱激之後，LATS1蛋白是通過蛋白酶體途徑被降解的。


那麼，熱激是如何影響LATS1的活性及其蛋白穩定性的呢？研究人員首先聚焦到LATS1的上遊激酶MST1/2以及MAP4Ks，將這些基因敲除之後發現它們並不參與到熱激調控的LATS1失活及YAP活化過程中。於是，他們重新回到細胞熱應激相關主要蛋白HSF-1, HSP70/90上，發現只有HSP90的敲除之後，LATS1以及YAP的去磷酸化過程顯著減緩。同時，熱激之後，HSP90 與LATS1的相互作用加強，提示HSP90直接參與了LATS1的去磷酸化過程。雖然HSP90並不是磷酸酶，不具備去磷酸化的功能，但是之前的研究發現它能夠與磷酸酶PP5相互作用，並且激活PP5，於是研究人員猜測HSP90可能起著一種中間橋梁的作用，連接了LATS1和PP5，從而促進LATS1的去磷酸化。果然，在敲除PP5的細胞中，LATS1及YAP的去磷酸化過程消失了，並且熱激狀態下,LATS1與PP5的相互作用顯著增強。


最後的問題便是，YAP/TAZ的活化對於細胞響應熱激過程中發揮了什麼樣的作用？通常情況下，熱應激效應是能夠促使細胞在受熱後表達特定的基因從而提高細胞適應性並存活下來。研究人員通過在小鼠黑色素瘤細胞中敲除YAP/TAZ發現，雙敲的細胞在熱激條件下存活率從80%顯著下降到45%，說明YAP/TAZ的激活是細胞的熱應激自我保護機制的一部分。而進一步轉錄組分析及染色質共沉澱實驗發現，YAP/TAZ激活的大部分下遊基因都與細胞熱應激效應相關，包括熱休克蛋白HSP。而體內實驗表明，YAP/TAZ敲低的小鼠黑色素瘤細胞成瘤性降低，腫瘤生長減緩。更為重要的是，它們對於熱療的響應性更為顯著，提示YAP/TAZ在腫瘤的熱療敏感性方面具有重要功能。



至此，熱激調控Hippo通路的分子機制清晰地展現出來：熱激對於Hippo通路的的上遊激酶MTS1/2及MAP4Ks影響較小，但是熱休克蛋白HSP90卻能夠將磷酸酶PP5招募到LATS1/2上，促進後者的去磷酸化及泛素化降解過程。在LATS1/2失去活性的情況下，YAP/TAZ磷酸化水平降低，進入細胞核內，激活與熱應激相關的基因表達，從而提升細胞的適應性及存活能力。



總體來看，整篇文章抽絲剝繭般的將YAP/TAZ在熱激狀態下的調控過程一步步闡釋清楚，同時也存在一些尚不清晰的問題，比如熱激之後，上遊激酶MTS1/2和MAP4Ks與LATS1/2的互作更強了，其機制和功能未知。另外，雖然LATS1/2的去磷酸化過程及相關的酶（PP5）已經被鑑定出來，但是其降解過程中的涉及的泛素化酶依舊有待考證。


原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41556-020-00602-9

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