Cell Rep︱刘芝华团队揭示去泛素化酶OTUB2的抑癌机制

撰文︱罗擎宇，南亚兵

责编︱王思珍，方以一

编辑︱杨彬薇

泛素化修饰是一种动态并且可逆的蛋白翻译后修饰过程，受到E3泛素连接酶及去泛素化酶的平衡调控[1]。近年来越来越多的去泛素化酶被报道在肿瘤发生发展中发挥重要的功能。然而，随着研究的进展，很多去泛素化酶被揭示在不同的肿瘤类型中可能会发挥不同的功能，甚至是完全相反的促癌或抑癌功能。去泛素化酶OTUB2是已知的促癌蛋白，曾被发现促进肺癌的进展及乳腺癌细胞的转移等恶性表型[2-4]。然而，关于OTUB2的肿瘤抑制功能尚未有报道。

鳞状细胞癌发生率约占头颈部恶性肿瘤的90%，而口腔鳞状细胞癌是全球头颈部鳞状细胞癌的主要类型[5, 6]。对烟酒的减少摄入显著减少了口腔癌的发生率，然而研究表明近年来舌癌的发病率呈上升趋势，特别是年轻女性的比例，提示存在着其他未知的致癌因素。食管癌作为另一种上消化道恶性肿瘤，是导致肿瘤相关死亡的主要癌种之一。食管鳞状细胞癌是食管癌的主要病理类型，并且主要发生于中国及其他亚洲发展中国家。烟酒摄入被认为是导致食管鳞状细胞癌发生的生活因素之一，但不足以完全解释食管鳞状细胞癌的地区分布。因此，导致食管鳞状细胞癌的其他生活因素还有待揭示。

2022年10月25日，中国医学科学院/北京协和医学院刘芝华教授团队在国际学术期刊Cell Reports上发表了题为“OTUB2 exerts tumor-suppressive roles via STAT1-mediated CALML3 activation and increased phosphatidylserine synthesis”的研究。该研究揭示了去泛素化酶OTUB2在舌及食管鳞状细胞癌中的重要抑癌功能，并发现该功能是通过促进转录因子STAT1的磷酸化及二聚体形成而实现的。通过代谢组学研究，作者们发现磷脂酰丝氨酸合成增加是介导OTUB2抑癌功能的关键代谢事件，并且临床前研究结果提示经口服用磷脂酰丝氨酸可能会为抑制舌及食管鳞状细胞癌的发生发展带来帮助。（拓展阅读：刘芝华课题组最新研究进展，详见“岚翰生命科学”报道（点击阅读）：Mol Ther︱刘芝华团队揭示肿瘤细胞c-MYC转录激活及凋亡抵抗的新机制）

为了研究OTUB2在上消化道鳞状细胞癌中的功能，作者们首先检测了其在正常食管上皮及食管鳞状细胞癌组织中的表达情况。通过对免疫组化结果进行分析，作者们惊讶地发现这个被认为是促癌蛋白的OTUB2在食管鳞状细胞癌中的表达存在广泛的缺失，并且预后分析表明具有OTUB2高表达的食管鳞状细胞癌患者有更长的总生存期（图1）。

图1 OTUB2在上消化道鳞状细胞癌中发挥抑癌功能

（图源：Chang, et.al., Cell Reports, 2022）

为了进一步验证OTUB2在上消化道鳞状细胞癌中的抑癌功能，刘芝华团队与蛋白质组学国家重点实验室张令强教授合作开发了Otub2基因敲除小鼠模型，并采用致癌剂4NQO诱导小鼠舌及食管鳞状细胞癌的发生。作者们发现经过致癌剂诱导后，Otub2敲除小鼠舌及食管鳞状细胞癌的发生率较野生型小鼠显著升高。此外，一系列应用人肿瘤细胞的小鼠体内实验也进一步验证了OTUB2在上消化道鳞状细胞癌发生发展中的抑癌功能（图1）。

在接下来的研究中，作者们通过转录组学、蛋白组学以及后续分子生物学实验验证，揭示了OTUB2发挥抑癌功能的关键下游基因CALML3。然而，OTUB2本身的蛋白结构没有作为转录因子的特点，因此作者们进一步通过质谱鉴定并锁定了STAT1是介导OTUB2对CALML3转录激活的关键转录因子（图2）。

图2 多组学联合分析揭示CALML3是介导OTUB2抑癌功能的关键下游基因

（图源：Chang, et.al., Cell Reports, 2022）

泛素化实验证实STAT1是去泛素化酶OTUB2的直接底物。然而，与保护底物蛋白不被降解的一般去泛素化作用不同，OTUB2对STAT1的去泛素化修饰在不影响其蛋白稳定性的情况下促进了STAT1的Tyr701位点磷酸化修饰及进一步的二聚体形成。这些结果揭示了非降解型泛素化、去泛素化修饰对转录因子STAT1活性的调控，并提出了之后进一步研究介导该修饰类型的E3泛素化连接酶的重要性（图3）。

图3 OTUB2介导STAT1的非降解型去泛素化修饰

（图源：Chang, et.al., Cell Reports, 2022）

最后，通过脂质组学研究，作者们发现过表达OTUB2的肿瘤细胞中磷脂酰丝氨酸含量显著升高，提示这可能是介导OTUB2抑癌功能的关键代谢事件。磷脂酰丝氨酸作为细胞膜的重要功能成分，对神经系统的功能至关重要，并已被多个国家批准用于食品添加。然而，关于在食物中补充磷脂酰丝氨酸的抗肿瘤研究尚未有报道。为了进一步验证口服磷脂酰丝氨酸对上消化道鳞状细胞癌的抑制功能，作者们利用鳞状细胞癌人源肿瘤组织异种移植模型（patient-derived xenotransplantation, PDX）进行了临床前研究，并发现口服磷脂酰丝氨酸显著抑制了OTUB2低表达鳞状细胞癌的发展以及增强了其对化疗药物的敏感性（图4）。综上，该研究为后续进一步探索应用磷脂酰丝氨酸预防及治疗人类恶性肿瘤提供了重要的前期基础。

图4 经口补充磷脂酰丝氨酸抑制上消化道鳞状细胞癌的进展

（图源：Chang, et.al., Cell Reports, 2022）

图5 OTUB2通过STAT1介导的CALML3基因激活发挥重要抑癌功能

（图源：Chang, et.al., Cell Reports, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

虽然之前的研究报道去泛素化酶OTUB2在多种癌症亚型中发挥促癌作用，本研究鉴定了OTUB2在舌及食管鳞状细胞癌的抑癌功能，并阐释了这一功能是通过介导STAT1的磷酸化及二聚体形成而实现的。同时作者还提出经口服用磷脂酰丝氨酸可能会为抑制舌及食管鳞状细胞癌的发生发展带来帮助。本研究鉴定了OTUB2介导STAT1去泛素化的赖氨酸位点K173和K637，但是对于STAT1在这些位点的E3泛素连接酶仍然是未知的。同时关于CALML3影响细胞内钙离子流进而抑制肿瘤的潜在机制尚未被揭示。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111561

中国医学科学院肿瘤医院刘芝华教授为该文章通讯作者，中国医学科学院肿瘤医院常婉博士、Dana-Farber癌症研究所罗擎宇博士及吴晓巍博士为共同第一作者。该研究受国家重点研发计划、国家自然科学基金、医科院创新工程等项目资助。

通讯作者：刘芝华教授

（照片提供自：刘芝华团队）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 

刘芝华,国家杰出青年基金获得者，教育部特聘教授，国家高层次人才项目领军人才，教育部创新团队及科技部创新团队负责人，首批人社部新世纪“百千万人才工程”国家级人选，卫生部有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。北京大学本科、博士，美国华盛顿州立大学博士后。主持重点研发计划慢病项目、常见多发病防治研究项目，国家自然科学基金重点项目及重点国际合作项目等。致力于通过多组学数据鉴定食管癌驱动基因，对食管癌进行精确分子分型，鉴定新型预后标志物和治疗靶点，发展新型治疗策略。在Cancer Cell, Cell Research, Advanced Materials, Advanced Science, PNAS等杂志发表通讯作者论文百余篇，被引用1万余次，H index 58。研究成果获国家科技进步一等奖、中华医学科技一等奖和抗癌协会科技奖一等奖等。

研究组的主要研究方向是从遗传、表观遗传和肿瘤微环境协同调控的角度探讨肿瘤发生发展的分子机制，识别具有临床应用前景的分子分型标志物和新靶点，多层面构建肿瘤个体化精准诊疗的分子基础。主持了多项国家级及省部级课题，包括：国家973计划课题，国家863计划课题，国家重点研发计划项目，科技部创新团队，国家自然科学基金杰出青年基金项目、重点项目、重点国际合作项目、重大研究计划、面上项目、青年基金项目等，教育部创新团队，北京市自然科学基金，教育部高校博士点学科基金等。累计发表SCI学术论文130余篇，包括Cancer Cell，Cell Research, Advanced Materials, Advanced Science, PNAS, Cancer Research, Clinical Cancer Research, Cell Death & Differentiation, Cell Reports, Oncogene等肿瘤研究权威学术期刊。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] K. N. Swatek, D. Komander, Ubiquitin modifications. Cell Res 26, 399-422 (2016).

[2] M. H. Nanao et al., Crystal structure of human otubain 2. EMBO Rep 5, 783-788 (2004).

[3] J. Li et al., OTUB2 stabilizes U2AF2 to promote the Warburg effect and tumorigenesis via the AKT/mTOR signaling pathway in non-small cell lung cancer. Theranostics 9, 179-195 (2019).

[4] Z. Zhang et al., OTUB2 Promotes Cancer Metastasis via Hippo-Independent Activation of YAP and TAZ. Mol Cell 73, 7-21 e27 (2019).

[5] S. Marur, A. A. Forastiere, Head and neck cancer: changing epidemiology, diagnosis, and treatment. Mayo Clin Proc 83, 489-501 (2008).

[6] L. Q. M. Chow, Head and Neck Cancer. N Engl J Med 382, 60-72 (2020).

本文完