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亦邪亦正的双面角色——TGFβ信号通路(下)

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功夫熊猫

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发表于 2021.9.14 09:31:40 | 显示全部楼层 |阅读模式


上期文章(→看这里←)分享了TGFβ通路在kegg通路中的位置、简要结构、TGFβ蛋白家族以及其活化调节、TGFβ配体与受体结合、TGFβ受体信号传导的Smad途径中【Smad蛋白家族介绍】,本期将继续介绍TGFβ受体信号传导的Smad途径中【Smad控制转录和组蛋白修饰及Smad调节过程中与其他通路的串扰 】、TGFβ受体信号的非Smad途径、TGFβ在机体发育以及疾病发生发展中的“两面性”。

TGFβ受体信号传导的Smad途径

Smad控制转录和组蛋白修饰

Smad复合物需要与其他转录因子关联,从而实现对效应基因的转录激活或者抑制。Smad起激活还是抑制转录作用,取决于多个因素,包括其他相关的转录因子/共调节因子、靶基因、细胞的生理状态和Smad三聚体的组成。与Smads相关的转录因子/共调节因子种类多样,这也导致Smad的调节作用十分广泛,甚至在不同的细胞生理状态下可能有相反的作用。

除了经典的转录激活或者抑制作用(下图A),Smad与其他类型的调节蛋白结合还可以产生多种调节作用。

①组蛋白修饰(下图B)
例如,活化的R-Smad-Smad4复合物招募组蛋白修饰酶,导致染色质重塑。乙酰转移酶p300的募集通常作为Smad复合物的转录辅激活因子,导致基因组H3K9乙酰化。而甲基转移酶SETDB1的募集可以诱导H3K9甲基化,从而抑制转录。Smad介导的组蛋白去乙酰化酶(Deacetylases)募集导致组蛋白去乙酰化。

②mRNA剪切(下图C)
TGFβ激活的Smad复合物调节与hnRNPE1相关的mRNA剪接。

③miRNA加工(下图D)

④活化的R-Smad通过与p68核酸解旋酶结合来指导miRNA加工。

⑤mRNA甲基化(下图E)
活化的Smad2或Smad3可与m6A甲基转移酶复合物结合,促进mRNA的甲基化。

图1 Smad的多种作用机制

Smad调节过程中与其他通路的串扰

由于Smad可以与多种蛋白结合,因此其行使调控过程中的每个步骤都可以与其他通路的蛋白相互作用,形成通路间的信号串扰。

在响应各种信号通路而激活时,AKT和IRF3可以与Smad3结合,从而减弱Smad3与激活的I型受体的结合(下图I)。其他通路的各种激酶(包括MAPK、PKC、JNK等)可以靶向磷酸化R-Smad的linker区域(下图II),以及随后的去磷酸化调节,可以控制Smad的亚细胞定位、稳定性和功能。Smads也可以被泛素化而降解。在细胞核(下图III)中,激酶(例如细胞周期蛋白CDK2/4)和磷酸酶(PPM1A、SCP)的磷酸化和去磷酸化进一步调节Smad活性。靶基因的转录激活或抑制需要Smad复合物与转录因子/共调节因子的结合。Smad已被证明与多种转录因子相关。在靶基因转录调节阶段,Smad可以与MAPK、AKT、Wnt、Notch和Hedgehog等多个通路产生信号串扰(下图IV)。

图2 Smad与其他通路的串扰可以发生在调控过程的每个步骤

举几个例子。Smad可以响应RTK(受体酪氨酸激酶)或者炎症反应相关通路。Smad3-Smad4复合物与AP1转录复合物(其参与了MAPK通路)中的c-Jun结合,响应生长因子、细胞因子刺激。此外,当响应RTK激活而磷酸化时,Smad可以与p53协同作用。Smad还可以与控制细胞分化的重要效应转录因子结合,例如Smad可以与由Wnt信号激活的转录因子TCF或LEF相互作用。因此,Smad与这些串扰的通路共同调节这些下游的细胞反应。

TGFβ受体信号的非Smad途径

TGFβ受体还可以通过非Smad途径调节信号传导,在kegg图中显示为TGFβ通路的细胞质部分可以与MAPK通路形成串扰,可以切入到该通路中的Erk1/2、JNK和p38激酶途径。其他串扰的通路还包括Src酪氨酸激酶、PI3K-AKT和Rho GTPases。

以MAPK通路为例,TGFβ刺激可以激活Erk1/2激酶的一种机制是通过将接头蛋白Shc募集到受体蛋白TβRI中的酪氨酸磷酸化残基。Sos1(Ras的核苷酸交换蛋白)和Grb2可以继续结合到Shc的酪氨酸磷酸化残基上,从而激活的Ras介导Erk1/2途径的激活(具体请戳→MAPK通路)。

图3 TGFβ通路可以通过非smad途径与多种其他通路形成串扰

TGFβ在机体发育以及疾病发生发展中的“两面性”

在细胞干性维持和分化中的两面性

TGFβ的常见作用之一是调节各类细胞干性维持和分化。这里举几个例子。

如下图a ,在胚胎干细胞(ES)中,OCT4、SOX2和NANOG三聚物是细胞自我更新的核心复合物,该调控网络由BMP激活的SMAD1和白血病抑制因子(LIF)激活的STAT3共同参与调节。SMAD1、STAT3和OCT4复合物在基因组中具有很多相同的结合位点(包括结合OCT4、SOX2和NANOG本身的启动子区),以强化细胞自我更新能力(用圆形箭头表示)。在这种细胞背景下,TGFβ信号通路起着维持细胞干性的作用。

但在缺乏干性维持的信号的情况下,TGFβ信号通路却能起到促进细胞分化的作用。但在缺乏自我更新信号的ES细胞中(下图b),Nodal激活的Smad 4–Smad 2/3复合物与TRIM33一起激活间充质分化基因(用阴影框表示)。FOXH1是一种间充质谱系因子,它将SMAD4复合体招募到多个分化基因中。在中胚层祖细胞中(下图c),谱系分化相关基因是活化的SMAD4复合物的主要伴侣蛋白,共同结合基因组以促进细胞分化,形成各类型的血细胞。在分化的细胞中,TGFβ激活的Smad复合物被不同的伴侣转录因子募集到不同的靶基因,调节细胞增殖、粘附、细胞外基质特性等。下图d显示了调节角质细胞(来源分化的外胚层)稳态的因素。

图4 TGFβ可以促进细胞干性维持,也可以促进细胞分化

在EMT、MET和iPS细胞转化中的两面性

继续看一个TGFβ可以调节相反的调控过程的例子。TGFβ还能调节上皮-间质转化(EMT)、间质-上皮转化(MET)和多能干细胞(iPS)转换等看似相反的过程。
TGFβ和BMP调节的细胞重编程过程包括乳腺上皮细胞中的EMT(下图a),可生成上皮干细胞样细胞,但也可以调节相反的过程——MET。成纤维细胞重编程为多能干细胞涉及一个类似MET的中间过程,该过程也受BMP和TGFβ的调节。EMT由核心调节蛋白SNAIL1、SNAIL2、ZEB1和ZEB2和其他因素驱动。miRNA miR-200和miR-205抑制EMT,而miR-205又被ZB1抑制。在乳腺上皮细胞中,TGFβ刺激EMT,BMP的功能则相反(下图b)。

WNT通路也可以与TGFβ共同调节启动上皮细胞的EMT(见下图c)。TGFβ触发SNAIL1和TWIST的SMAD依赖性诱导。然后,SMAD3/4与SNAIL1和WNT激活的LEF1结合,共同结合关键的上皮基因CDH1的启动子以抑制其表达。这一抑制作用,结合相关的全基因组染色质变化,最终导致细胞EMT。同时,TGFβ II型受体(TGFBR2)磷酸化PAR6,从而溶解细胞连接,促进迁移。但BMP却可以通过SMAD1和SMAD4传递信号,上调miR-200和miR-205,从而抑制EMT。

在成纤维细胞中,BMP诱导的miR-200和miR-205抑制ZEB1,促进OCT4、KLF4、SOX2和MYC的异位表达,从而实现向iPS细胞转换。但TGFβ却可以抑制iPS细胞的生成。TGFBR1抑制剂的使用提高了iPS细胞的生成效率,降低了对MYC和SOX2的需求。

图5 TGFβ在EMT、MET和iPS细胞转化中的作用

在肿瘤以及肿瘤微环境的作用

如上文提到的,在癌症发展中TGFβ具有两种相反的作用。在正常细胞和癌症发展初期,它是一种肿瘤抑制因子,能够抑制细胞增殖、促进维持基因组稳定并刺激异常细胞凋亡。但在肿瘤发生的后期,TGFβ肿瘤抑制作用受到破坏,反而成为肿瘤促进因子,能诱导上皮-间质转化(EMT),促进肿瘤细胞侵袭和转移,而且在肿瘤微环境中具有免疫抑制,促进血管生成的作用。之所以能发生这样的转变,是因为在肿瘤发生发展过程中,细胞基因组在DNA和表观修饰水平不断变异,导致细胞中的调控网络发生了变化。

如下图a,在正常上皮细胞中TGFβ激活的SMAD蛋白调节数百个基因,包括上调细胞抑制基因和参与基因组稳态的基因,下调MYC等促癌基因。当干细胞或祖细胞发生致癌突变(例如,失去APC肿瘤抑制因子、激活KRAS或扩增HER2)时, TGFβ则可以促进异常细胞凋亡(如下图b)。但如果细胞不断积累额外的突变,将可能使TGFβ的肿瘤抑制反应性失效。

其中一种机制包括TGFβ1(TGFβ受体II型)、TGFBR2或SMAD4突变而失去TGFβ信号传导,导致该通路失效(如下图c)。这种结果在结直肠癌和胰腺癌中较为常见。因此,癌细胞可以耐受富含TGFβ的肿瘤基质,并受益于其额外的促瘤作用,如TGFβ诱导基质衍生细胞因子,促进细胞存活。另一条促肿瘤的机制涉及SMAD选择性失去了肿瘤抑制调节作用,但依然保留完整SMAD信号传导机制(如下图d)。这种结果在乳腺癌、神经胶质瘤和黑色素瘤中较为常见。因此,癌细胞不仅能耐受富含TGFβ的微环境,还能对TGFβ产生应答,从而产生SMAD依赖性基因应答。在这种情况下,这种应答有利于细胞转移。实例包括诱导促血管生成素(ANGPTL4)表达,为乳腺癌细胞外渗做准备。白细胞介素11(IL11)和NOTCH配体JAGGED1表达增加,使骨髓中的癌细胞激活破骨细胞,进行溶骨性转移,促进EMT,提供侵袭性和肿瘤起始表型。

图6 TGFβ在肿瘤抑制和促肿瘤发生中的作用

TGFβ也可以影响肿瘤免疫微环境。TGFβ抑制自然杀伤(NK)和CD8+细胞毒性T细胞的功能,阻断“细胞毒性程序”关键蛋白,如穿孔素(perforin)、颗粒酶(Granzyme)和细胞毒素(Cytotoxin)。TGFβ诱导调节型T细胞(Treg)和辅助型T细胞Th17细胞分化,抑制B细胞增殖和IgA分泌。此外,TGFβ还抑制树突细胞(DC)功能,阻断I型巨噬细胞(M1)和I型中性粒细胞(N1)的发育,但促进II型巨噬细胞(M2)和II型中性粒细胞(N2),介导髓系免疫抑制细胞(MISC)的免疫抑制功能。

图7 TGFβ在肿瘤微环境中对免疫细胞的作用

小结

总结下TGFβ通路的几个特征:

①仅仅是配体和信号传导介质的表达并不能预测细胞对TGFβ家族成员的反应,而是要看具体的细胞环境才能判断TGFβ的作用;
②Smad信号传导具有广泛的功能多样性和对其他信号通路的依赖性;
③TGFβ家族配体直接激活非Smad信号通路的能力补充了Smad信号,并且是细胞对TGFβ配体反应的重要组成部分。

从TGFβ通路的以上特点可以看出,这个通路本质是一个“端水大师”,能够与多个信号通路串扰,维持细胞内基因调节的稳态。但如果这种稳态被打破,TGFβ既可能倒向天平的左侧,也可能倒向天平的右侧。这就是TGFβ的功能与细胞所处的状态紧密相关的原因,它是个“好人”还是“坏人”,取决于细胞给它一个什么样的环境。

参考文献
[1]Morikawa M, Derynck R, Miyazono K. TGF-β and the TGF-β Family: Context-Dependent Roles in Cell and Tissue Physiology. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2016 May 2;8(5):a021873.
[2]Heldin CH, Moustakas A. Signaling Receptors for TGF-β Family Members. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2016 Aug 1;8(8):a022053.
[3]Massagué J. TGFβ signalling in context. Nat Rev Mol Cell Biol. 2012 Oct;13(10):616-30.
[4]Derynck R, Budi EH. Specificity, versatility, and control of TGF-β family signaling. Sci Signal. 2019 Feb 26;12(570):eaav5183.
[5]Yang L, Pang Y, Moses HL. TGF-beta and immune cells: an important regulatory axis in the tumor microenvironment and progression. Trends Immunol. 2010 Jun;31(6):220-7.

本文作者:基迪奥-周老师

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