浙大教授连发《Nature》子刊，《EMBO》文章解析TGF-β信号通路

转化生长因子β (TGF-β）信号通路很早被人们所发现，是一条从果蝇到人类都共有的重要的信号通路。TGF-β家族蛋白包括TGF-βs，激动素( activins)，骨形态发生蛋白（BMPs），在调控干细胞命运，胚胎发育和维持组织内稳态发挥着关键的作用。

来自浙江大学生命科学研究院的张龙实验室在Nature Communications发表题为“FAF1 phosphorylation by AKT accumulates TGF-β type II receptor and drives breast cancer metastasis”的文章，该文章阐释了发挥肿瘤抑制功能的TGF-β信号是如何被扭转为促进肿瘤转移的驱动力的这一亟待回答的问题。

肿瘤转移是导致癌症病人死亡的一个非常重要的原因，多达90%的实体瘤患者死于肿瘤转移。转移生长因子β (TGF-β)信号通路在肿瘤发生和发展中有着非常重要的作用。TGF-β在早期癌变中抑制肿瘤生长，而在后期肿瘤发展过程中则转变成一个肿瘤促进因子。TGF-β在肿瘤发展后期如何转变成为促癌因子? 这些转变是否与其他原癌信号的影响有关等都是研究肿瘤转移的关键问题，这些问题的解答将为后期肿瘤转移的治疗和药物研发提供理论基础。

作为TGF-β 配体结合的第一个分子，TGF-β的II型受体（TβRII）除了激活经典的SMAD通路，还可以通过磷酸化或与信号中间体结合激活包括磷脂酰肌醇激酶（PI3K）/AKT等在内的非经典SMAD信号通路。在乳腺癌晚期，高水平TGF-β诱导的侵润性和转移性和过度激活的PI3K/AKT信号密切相关。然而两者之间的分子机制并不清楚。目前对细胞膜上TβRII代谢的机制研究得较少，特别是TβRII蛋白水平的变化对肿瘤发生发展的影响也没有一致的观点，暗示其在早期和晚期肿瘤中的不同作用或者其他原癌信号对其功能产生了影响。

这篇文章从研究受体的结合蛋白入手，发现TβRII受到FAF1这个接头蛋白的严密控制。FAF1通过招募VCP和E3连接酶复合物限制了细胞膜上TβRII的水平。由于极低的TβRII就能保证持续不断地磷酸化TβRI从而发挥SMAD介导的正常功能，这种调节方式既保持了下游SMAD信号的正常传递，又防止了TβRII的过度激活。而在肿瘤发展后期，尤其是当肿瘤响应刺激或者接受诱导获得AKT的激活后，FAF1的特异性丝氨酸位点会被AKT磷酸化从而脱离细胞膜并丧失上述功能，导致膜上TβRII的水平上调，激活SMAD和非经典SMAD信号通路，促进肿瘤转移。另一方面，AKT又能阻断SMAD介导的细胞周期调控，因而TGF-β/SMAD能快速地被扭转成为促进肿瘤转移的驱动力。

这项研究不仅发现了调控细胞膜上TβRII蛋白代谢的分子机制，而且解释了在恶性肿瘤细胞中AKT如何通过FAF1逆转TGF-β信号促进肿瘤转移的原因，对临床预防肿瘤恶化和抗癌药物的研究提供了重要的理论支持。

此外，这一实验室也在The EMBO Journal发表题为“USP4 inhibits SMAD4 monoubiquitination and promotes activin and BMP signaling”的文章，该文章阐述了TGF-β 家族蛋白SMAD4奇妙的修饰和回收利用的机制：单泛素化的SMAD4被去泛素化酶USP4识别切除泛素链后被运输到细胞质中重新利用。

失调的TGF-β家族蛋白活性会导致发育缺陷和疾病。TGF-β抑制早期肿瘤的发生，但在肿瘤发生后期却促进肿瘤的转移。因而在恶性肿瘤中该通路被视为抗肿瘤药物的作用靶点。去泛素化酶是一类优良的小分子药物靶点。该研究通过寻找特异性作用于TGF-β/Activin信号的去泛素化酶，并深入研究其作用的分子机理，以期为临床实践和小分子药物筛选建模提供基础。

SMAD4分子具有极强的蛋白稳定性，是TGF-β 家族蛋白中一个必然会被回收利用多次的蛋白分子。细胞内是什么机制保证了SMAD4在响应配体信号刺激结合R-SMAD发挥功能后又能迅速地被再利用的呢？

这篇文章发现SMAD4的单泛素化对于其与R-SMAD的结合发挥抑制作用。单泛素化由Smurf2泛素连接酶催化形成，被USP4去泛素化酶结合并去除。细胞内保持了一个c-Ski结合的SMAD4 pool，在TGF-β信号刺激条件下，c-Ski被R-SMAD-Smurf2诱导极为迅速地发生降解并释放SMAD4。增强的SMAD复合物同时也导致了SMAD4的单泛素化，单泛素化的SMAD4被USP4识别切除泛素链后被运输到细胞质中重新利用。如此，单泛素化在调节SMAD4的平衡再利用中发挥重要作用。更重要的是，USP4单泛素化SMAD4后，进而激活SMAD4介导的Activin和 BMP 信号，调控小鼠胚胎干细胞（mESCs）和早期斑马鱼胚胎发育。

SMAD4功能障碍涉及癌症和其他疾病，此项研究阐明了功能蛋白去泛素化协同调控胚胎干细胞发育的分子机制，实现了理论创新，将为针对肿瘤疾病的抗癌药物研发提供新思路和药物靶点。

原文标题

FAF1 phosphorylation by AKT accumulates TGF-β type II receptor and drives breast cancer metastasis

USP4 inhibits SMAD4 monoubiquitination and promotes activin and BMP signaling