骨肉瘤是一種侵襲性惡性腫瘤,肺轉(zhuǎn)移率高,缺乏治療靶點(diǎn)。骨肉瘤轉(zhuǎn)移或復(fù)發(fā)患者的治療策略的確定是必要和緊迫的。因此,更好地了解骨肉瘤發(fā)生的分子機(jī)制和識(shí)別骨肉瘤的治療靶點(diǎn)是迫切的研究目標(biāo)。接下來(lái)小編為大家?guī)?lái)發(fā)表于“nature communications”上的文章“Targeting the CK1α/CBX4 axis for metastasis in osteosarcoma”。
在這里,我們報(bào)道了在骨肉瘤細(xì)胞系和組織中過(guò)表達(dá)的染色體盒同源物4(CBX4)。CBX4通過(guò)向Runx2啟動(dòng)子募集GCN5,通過(guò)轉(zhuǎn)錄上調(diào)Runx2促進(jìn)骨肉瘤轉(zhuǎn)移。CK1α通過(guò)抑制CBX4抑制細(xì)胞遷移和侵襲。骨肉瘤組織中CK1α與CBX4呈負(fù)相關(guān),CK1α是預(yù)測(cè)骨肉瘤轉(zhuǎn)移患者臨床預(yù)后的重要指標(biāo)。恩波吡維銨(PP)作為CK1α的選擇性激活劑,可通過(guò)CK1α/CBX4軸抑制骨肉瘤的轉(zhuǎn)移。
結(jié)果:
1)CBX4通過(guò)轉(zhuǎn)錄上調(diào)Runx2發(fā)揮作用
我們通過(guò)測(cè)序和qPCR確定骨肉瘤發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵分子為CBX4。敲除CBX4可減少U2OS、U2OS/MTX300和HOS細(xì)胞的遷移和侵襲(圖1a-c、g-i)。在穩(wěn)定表達(dá)CBX4的細(xì)胞中,細(xì)胞遷移和侵襲持續(xù)增強(qiáng)(圖1d-f,j-l)。
Runx2在促進(jìn)骨肉瘤轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用。因此,我們好奇CBX4是否能影響骨肉瘤中Runx2的轉(zhuǎn)錄。敲除CBX4后,Runx2的蛋白質(zhì)和mRNA水平降低,而CBX4的過(guò)表達(dá)增加了U2OS、U2OS/MTX300和HOS細(xì)胞中Runx2的蛋白質(zhì)和mRNA水平(圖1a-f,m,n)。然而,CDM-CBX4的色域突變體在mRNA和蛋白質(zhì)水平上都不能增加Runx2,無(wú)論是遷移還是侵襲(圖1o-q),總之,這些結(jié)果表明CBX4在調(diào)節(jié)Runx2以及骨肉瘤細(xì)胞的遷移和侵襲中起著重要作用。
2)在骨肉瘤細(xì)胞中,CBX4通過(guò)招募GCN5到Runx2啟動(dòng)子來(lái)增加Runx2
敲低或過(guò)表達(dá)CBX4可以分別抑制和增加Runx2啟動(dòng)子活性(圖2a,b)。當(dāng)使用p16(INK4a/ARF)啟動(dòng)子作為陽(yáng)性對(duì)照,基于染色質(zhì)免疫沉淀(ChIP)分析,CBX4與Runx2 P2啟動(dòng)子相連(圖2c)。以RNA聚合酶II(Pol II)為陽(yáng)性對(duì)照,通過(guò)敲除U2OS和U2OS/MTX300細(xì)胞中的CBX4,H3K27Ac與Runx2啟動(dòng)子的關(guān)聯(lián)受到損害(圖2d,e)Co-IP顯示CBX4在外源和內(nèi)源水平上與P300、CBP或GCN5結(jié)合,但與TIP60和PCAF均不結(jié)合(圖2f)。另外,沉默GCN5消除了CBX4過(guò)表達(dá)誘導(dǎo)的mRNA和蛋白質(zhì)水平的Runx2增加(圖2g,h)。此外,CBX4基因敲除不僅消除了GCN5對(duì)Runx2啟動(dòng)子活性的增強(qiáng)(圖2i,j),而且還減少了GCN5與Runx2啟動(dòng)子的結(jié)合(圖2d,e)。Runx2的過(guò)表達(dá)則逆轉(zhuǎn)了敲除CBX4引起的細(xì)胞遷移和侵襲的抑制(圖2k),而內(nèi)源性Runx2的缺失則消除了CBX4過(guò)表達(dá)引起的遷移和侵襲的增強(qiáng)(圖2l),表明CBX4對(duì)骨肉瘤細(xì)胞遷移和侵襲的影響取決于Runx2。此外,Runx2的額外損耗不能進(jìn)一步減少CBX4敲除細(xì)胞的遷移和侵襲(圖2m)。總之,這些結(jié)果表明CBX4通過(guò)向骨肉瘤細(xì)胞中的Runx2啟動(dòng)子招募GCN5來(lái)增強(qiáng)Runx2的表達(dá),從而促進(jìn)細(xì)胞遷移和侵襲。
3)CHIP是負(fù)責(zé)CBX4泛素化和降解的E3連接酶
我們之前的數(shù)據(jù)表明,CBX4 C末端的10個(gè)氨基酸可能對(duì)其蛋白穩(wěn)定性至關(guān)重要,而如上圖所示,CBX4促進(jìn)了骨肉瘤細(xì)胞的遷移和侵襲。我們?cè)噲D通過(guò) MS分析,鑒定負(fù)責(zé)降解CBX4的E3連接酶。CBX4相互作用蛋白中有三種著名的E3連接酶:TRIM21、MKRN2和CHIP(圖3a)。然而,在外源和內(nèi)源水平(圖3b)下,CBX4蛋白水平僅通過(guò)CHIP而不是TRIM21或MKRN2降低,而通過(guò)siRNA或shRNA敲除CHIP可提高細(xì)胞內(nèi)CBX4蛋白水平(圖3c)。此外,野生型CHIP降低了蛋白水平,增強(qiáng)了CBX4的泛素化,縮短了半衰期(圖3d-f),而siRNA敲除CHIP則降低了CBX4的泛素化,延長(zhǎng)了半衰期(圖3g,h)。一致地,CHIP和CBX4之間的相互作用已經(jīng)在其外源和內(nèi)源水平上被檢測(cè)到(圖3i)。這些結(jié)果表明,CHIP是導(dǎo)致CBX4泛素化和蛋白酶體/溶酶體降解的E3連接酶。
為了進(jìn)一步鑒定CHIP誘導(dǎo)的CBX4泛素化位點(diǎn),制備了一組CBX4片段。如圖3j所示,在K178/280A突變株中,CHIP誘導(dǎo)的CBX4泛素化幾乎被消除,而在K178A或K280A突變株中,CBX4的泛素化部分被減弱。為支持這些發(fā)現(xiàn),與野生型CBX4相比,這三個(gè)突變株對(duì)CHIP降解的抗性更強(qiáng)(圖3k)。這些結(jié)果表明CBX4的K178和K280是CHIP泛素化的關(guān)鍵位點(diǎn)。
4)CK1α在T437處磷酸化CBX4,促進(jìn)其轉(zhuǎn)化
一般來(lái)說(shuō),CHIP介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解是由其自身或其底物的磷酸化調(diào)節(jié)的。T437突變體影響CHIP介導(dǎo)的CBX4泛素化和降解(圖4a,b),強(qiáng)烈表明T437可能是泛素介導(dǎo)的CBX4降解所需的顯性磷酸化位點(diǎn)。
CBX4和CK1α之間的相互作用在細(xì)胞的外源和內(nèi)源水平上都被檢測(cè)到(圖4c,d)。此外,CK1α降低了野生型CBX4的蛋白質(zhì)水平,但沒(méi)有降低其T437A突變體的蛋白質(zhì)水平(圖4e)。使用抗-T437抗體,當(dāng)CBX4在T437磷酸化時(shí),抗體能特異性地識(shí)別CBX4,通過(guò)在細(xì)胞中與CK1α共轉(zhuǎn)染來(lái)增加T437處CBX4的磷酸化;在體外與純化的V5-CK1α孵育后,CBX4在T437處的磷酸化作用也增加了,但其T437A突變體沒(méi)有增加(圖4f,4g)。此外,在U2OS/MTX300細(xì)胞中,CK1α的敲除和過(guò)表達(dá)分別降低和增強(qiáng)了T437處內(nèi)源性CBX4的磷酸化,表明T437處內(nèi)源性CBX4的磷酸化也依賴于CK1α(圖4h,i)。
接下來(lái),我們?cè)噲D檢測(cè)CK1α對(duì)T437處CBX4的磷酸化是否與骨肉瘤的進(jìn)展有關(guān)。U2OS和U2OS/MTX300細(xì)胞均被幾種與骨肉瘤進(jìn)展密切相關(guān)的細(xì)胞因子治療,如TNFα、RANKL和M-CSF20-22。有趣的是,TNFα可以提高這些細(xì)胞中CBX4和Runx2的蛋白水平(圖4j)。TNFα增加Runx2蛋白水平依賴于CBX4或GCN5,可能是由于這些細(xì)胞中T437處CBX4磷酸化減少所致(圖4k-m)??傊?,這些結(jié)果確定CK1α在T437處磷酸化CBX4促進(jìn)轉(zhuǎn)換,并與骨肉瘤的進(jìn)展相關(guān)。
5)CK1α通過(guò)抑制CBX4而起作用,它們?cè)诮M織中呈負(fù)相關(guān)
我們研究了CK1α對(duì)骨肉瘤細(xì)胞遷移和侵襲的影響。如圖5a-f所示,在U2OS、U2OS/MTX300和HOS細(xì)胞中使用shRNAs敲除CK1α,CBX4和Runx2蛋白水平以及細(xì)胞遷移和侵襲均增加。相反,CK1α在這些細(xì)胞中穩(wěn)定的外源表達(dá)降低了CBX4和Runx2的蛋白水平,以及細(xì)胞的遷移和侵襲(圖5g-l)。更重要的是,過(guò)表達(dá)CBX4廢除了由CK1α過(guò)表達(dá)誘導(dǎo)的細(xì)胞遷移和入侵的抑制(圖5m)。這些結(jié)果表明,CK1α的過(guò)表達(dá)通過(guò)降低CBX4蛋白水平抑制了細(xì)胞的遷移和侵襲。
6)CK1α與CBX4在骨肉瘤組織中負(fù)相關(guān)
我們?cè)u(píng)價(jià)了CK1α調(diào)節(jié)CBX4的臨床意義。結(jié)果表明,55個(gè)組織中有29個(gè)有高水平的CBX4,而55個(gè)組織中有19個(gè)有高水平的CK1α,這兩種蛋白的水平在這個(gè)隊(duì)列中呈負(fù)相關(guān)(圖6a,b)。高水平CK1α和CBX4分別與骨肉瘤患者較好和較差的總體生存率相關(guān)(圖6c,d)。此外,在24例診斷為轉(zhuǎn)移的患者中,高水平的CK1α(而不是CBX4)與更好的總體生存率相關(guān)(圖6e),盡管低水平的CBX4患者顯示出比高水平的CBX4患者有更好的生存曲線的趨勢(shì),可能是由于小樣本量轉(zhuǎn)移(圖6f)。提示CK1α是預(yù)測(cè)骨肉瘤轉(zhuǎn)移患者臨床預(yù)后的重要指標(biāo)。
7)pyrvinium通過(guò)CK1α激活抑制CBX4抑制骨肉瘤肺轉(zhuǎn)移
恩波吡維銨(PP)是FDA批準(zhǔn)的一種選擇性激活CK1α亞型的藥物,在不同的癌癥模型中具有抗腫瘤作用。因此,我們很想確定PP是否對(duì)骨肉瘤轉(zhuǎn)移有影響。PP抑制U2OS/MTX300細(xì)胞內(nèi)CBX4的內(nèi)源性蛋白水平,但不抑制β-連環(huán)蛋白(圖7a)。同時(shí),細(xì)胞遷移和侵襲受到損害,而PP處理的細(xì)胞內(nèi)源性CBX4 在T437位點(diǎn)的磷酸化水平增加(圖7b,c)。一致地,細(xì)胞內(nèi)的PP處理也增加了CBX4與CHIP的相互作用(圖7d)。
最后,利用U2OS/MTX300-luci細(xì)胞,探討PP對(duì)骨肉瘤原位轉(zhuǎn)移模型的影響。如圖7e-j所示,shRNA對(duì)內(nèi)源性CBX4的敲除減少了細(xì)胞的遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移,而野生型CBX4及其突變株K178/280A或T437A的重新導(dǎo)入完全挽救了這些細(xì)胞。此外,與K178/280A和T437A突變體相比,PP處理對(duì)野生型CBX4蛋白水平有更顯著的抑制作用。一致地,在穩(wěn)定表達(dá)shRNA和WT-CBX4的U2OS/MTX300細(xì)胞中,PP處理會(huì)損害細(xì)胞遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移,但不損害其K178/280A或T437A突變體(圖7h-j)。這些結(jié)果表明,PP通過(guò)誘導(dǎo)CBX4蛋白的降解而降低了骨肉瘤的轉(zhuǎn)移,提示PP在骨肉瘤肺轉(zhuǎn)移患者的臨床試驗(yàn)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。
結(jié)論:
CBX4的過(guò)表達(dá)向Runx2啟動(dòng)子募集GCN5,轉(zhuǎn)錄上調(diào)Runx2,促進(jìn)骨肉瘤的肺轉(zhuǎn)移。CK1α在T437處磷酸化CBX4有利于其泛素化和CHIP降解,而PP作為CK1α的選擇性激活劑可能有利于高表達(dá)CBX4的骨肉瘤患者。