​Sci Adv | 高波组揭示内质网相关蛋白降解途径调控Wnt/PCP信号通路的分子机制

责编 | 酶美

Wnt信号通路在个体发育、细胞干性维持以及癌症发生中起着重要作用。除了经典的Wnt/β-catenin信号通路，还有不依赖于β-catenin的非经典通路可以转导Wnt信号, 其中就包括了Wnt/平面细胞极性（Planar Cell Polarity, PCP）信号通路。不同于上皮细胞的顶基极性（Apical-Basal Polarity），平面细胞极性（PCP）指的是成片细胞在某一平面中形成的整体细胞极性（在上皮细胞中其极性方向垂直于顶基极性轴）。PCP在复杂多细胞生物发育过程中为细胞群体提供了关键的方向性信息，在多种组织形态发生和器官形成过程中均起到了重要作用，如果蝇的体毛定位和复眼排列、脊椎动物的体轴延伸、哺乳动物的神经管闭合、多种类型细胞的定向排列（如上皮细胞、内耳毛细胞、软骨细胞等）、神经元的轴突导向等过程【1, 2】。该信号通路的破坏会导致不同程度的发育缺陷（如神经管畸形、神经系统疾病、骨骼系统疾病等），而在成体细胞的异常激活则会促进多种癌症的发生【3, 4】。从分子层面上看，PCP主要表现为平面极性核心蛋白（core PCP proteins）有规律的非对称性分布。这些蛋白从果蝇到高等哺乳动物具有高度保守性，他们在成片细胞里统一的非对称性分布是PCP建立和实现功能的主要特征。由于这种非对称性分布的建立主要取决于这些核心蛋白在细胞内和细胞间的相互作用，任何一个蛋白的失活或者异常激活都足以破坏平面细胞极性，因此PCP核心蛋白的稳态和活性调控尤为关键。

近日，香港大学生物医学院的高波课题组在Science Advances上发表了题为Regulation of Wnt/PCP signaling through p97/VCP-KBTBD7–mediated Vangl ubiquitination and endoplasmic reticulum–associated degradation的研究论文。该研究揭示了Wnt/PCP 信号通路的核心蛋白Vangl (包括Vangl1和Vangl2两个同源蛋白) 的泛素化修饰，以及磷酸化和泛素化之间的相互调节对于维持Vangl蛋白稳态的重要作用。同时，此项研究还揭示了内质网相关蛋白降解途径（endoplasmic reticulum-associated degradation, ERAD ）调控Wnt/PCP信号的分子机理， 并意外发现了ERAD核心蛋白p97/VCP结合底物的新机制。

Vangl作为四跨膜蛋白，定位于细胞膜上，在Wnt信号的诱导下，其会被CK1 （Casein kinase 1）高度磷酸化，这些磷酸化对于平面细胞极性的建立至关重要【5, 6】。作者首先发现Vangl蛋白会发生大量的自发降解，且大部分的降解并不是通过膜蛋白常见的溶酶体降解途径，而是通过蛋白酶体。进一步的实验发现Vangl蛋白会在内质网上被泛素化，并通过ERAD途径降解。ERAD是一种保守的蛋白质控机制，需要经过底物蛋白识别（recognition）、逆转位（retrotranslocation）、泛素化修饰（ubiquitination）、底物释放（release）以及蛋白酶体降解 (degradation) 等多个步骤，需要一系列关键分子参与，如介导底物释放的关键分子p97/VCP。p97/VCP是一种ATP酶，通过衔接蛋白（adaptor）或辅蛋白（cofactor）结合ERAD底物的泛素链，通过水解ATP释放能量，将底物从内质网膜上释放下来，转运到蛋白酶体降解 【7】。

作者意外地发现，Vangl蛋白具有高度保守的VCP-interacting motif （VIM），可以直接被p97/VCP结合，VIM突变的Vangl蛋白则不能与p97/VCP结合，其更稳定，能更快的离开内质网而转运到细胞膜上。p97/VCP与底物直接结合进而调控ERAD的分子机制为首次报道。作者随后通过亲和纯化与质谱联用（AP-MS）分析发现，泛素连接酶复合体CUL3-KBTBD7介导了Vangl蛋白的泛素化和蛋白酶体降解。进一步实验发现，结合Vangl蛋白的p97/VCP通过其衔接蛋白UBA-UBX家族成员SAKS1，UBXD7，FAF1将KBTBD7招募至内质网，导致了Vangl的高度泛素化。另外一方面，作者发现Wnt5a和CK1可以诱导Vangl在内质网上发生低水平的磷酸化，保护Vangl不被KBTBD7泛素化和降解，而磷酸化突变型的Vangl则会被高度泛素化和快速降解，说明磷酸化对于在内质网上新合成的Vangl蛋白的保护是蛋白进一步成熟并转运至细胞膜上所必需的。

ERAD调控Vangl蛋白的分子机制模式图

以上发现提示，在内质网上新合成的Vangl分子如果未被正确修饰和折叠，其很可能会被ERAD途径所识别和降解，ERAD机制对Wnt/PCP信号通路核心蛋白Vangl起到了严格的质控作用。最后，作者利用斑马鱼动物模型鉴定了KBTBD7对Wnt/PCP信号通路的调控作用，并发现其可以通过降解Vangl蛋白抑制乳腺癌细胞的肺转移，肿瘤数据分析也发现KBTBD7的表达水平同乳腺癌的发展正相关。这些实验进一步阐明了该调控机制的生理学和病理学意义。

此项研究为论文通讯作者香港大学生物医学院高波助理教授近年在Wnt/PCP领域系列工作（Dev Cell 2011; Curr Top Dev Biol 2012; Curr Opin Genet Dev 2013; Cell Res 2017; Development 2018）的进一步延伸，为深入探索该信号通路的调控机制及其如何影响生物体发育和导致相关人类疾病提供了重要的数据支持和理论基础 。香港大学生物医学院博士毕业生冯迪为此论文第一作者，博士后王晋为共同第一作者。其它合作者包括香港城市大学张亮助理教授、香港科技大学郭玉松副教授、香港大学禤承恩教授以及日本基础生物学研究所高田慎治教授和三井優輔助理教授。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/20/eabg2099

制版人：十一

参考文献

1. Y. Yang, M. Mlodzik, Wnt-Frizzled/planar cell polarity signaling: Cellular orientation by facing the wind (Wnt). Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 31, 623–646 (2015).

2. A. C. Humphries, M. Mlodzik, From instruction to output: Wnt/PCP signaling in development and cancer. Curr. Opin. Cell Biol. 51, 110–116 (2018).

3. M. T. Butler, J. B. Wallingford, Planar cell polarity in development and disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 375–388 (2017).

4. A. M. Daulat, J. P. Borg, Wnt/planar cell polarity signaling: New opportunities for cancer treatment. Trends Cancer 3, 113–125 (2017).

5. B. Gao, H. Song, K. Bishop, G. Elliot, L. Garrett, M. A. English, P. Andre, J. Robinson, R. Sood, Y. Minami, A. N. Economides, Y. Yang, Wnt signaling gradients establish planar cell polarity by inducing Vangl2 phosphorylation through Ror2. Dev. Cell 20, 163–176 (2011).

6. W. Yang, L. Garrett, D. Feng, G. Elliott, X. Liu, N. Wang, Y. M. Wong, N. T. Choi, Y. Yang, B. Gao, Wnt-induced Vangl2 phosphorylation is dose-dependently required for planar cell polarity in mammalian development. Cell Res. 27, 1466–1484 (2017).

7. S.S. Vembar, J.L. Brodsky, One step at a time: endoplasmic reticulum-associated degradation. Nat Rev Mol Cell Biol, 2008. 9, 944-957

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