馮新華組揭示Smad7非依賴TGF-通路調控幹細胞多能性的新機制

本文轉載自「BioArt」

TGF-β超家族信號通路參與了廣泛的生物學過程，對調控早期胚胎髮育、細胞的生長、幹細胞的自我更新、腫瘤的發生髮展等具有十分重要的調控作用。作為TGF-β超家族信號通路中抑制性的SMADs（Inhibitory SMADs， I-SMADs），Smad7過去一直被認為是TGF-β信號通路重要的負反饋調節因子，然而對於Smad7是否有不依賴於TGF-β信號通路的重要功能並不十分清楚。

9月5日，浙江大學生命科學研究員馮新華教授課題組在PNAS雜誌在線發表了題為「Smad7 enables STAT3 activation and promotes pluripotency independent of TGF-β signaling」的研究論文，揭示了Smad7能夠通過TGF-β非依賴的方式與STAT3信號相互作用來調控幹細胞的自我更新與分化，有力的拓展了Smad7全新的功能，並且暗示了這一全新的分子機制極有可能在炎症反應以及腫瘤中有更為廣泛的影響。

論文解讀：

人基因組編碼了33個轉化生長因子-β（TGF-β）超家族成員，包括TGF-β/Activin/Nodal以及BMP，它們對於維持幹細胞的全能性以及在發育過程中決定細胞命運都至關重要【1，2】。TGF-β超家族需要依靠細胞內的R-Smads蛋白傳遞信號，比如TGF-β/Activin/Nodal能夠激活Smad2和Smad3，BMP能夠激活Smad1、Smad5和Smad8（ SMAD 家族蛋白共有 8 個，細分為三類：受體激活型 SMAD，R-SMADs；通用伴侶型 SMAD，Co-SMAD）；抑制型 SMAD， I-SMADs）。Smad7能夠被TGF-β超家族的所有成員誘導表達，並且在多個水平上抑制TGF-β信號通路，所以它被認為是TGF-β信號通路重要的負反饋調節因子【3】（圖1）。

圖1 Smad7反饋抑制TGF-β信號通路

Smad7最主要的作用機制是通過招募E3連接酶Smurf1/2或者Nedd4-2到 TGF-β受體，導致受體的泛素化降解。另外，Smad7可以被其它細胞因子（如EGF、IFN-γ、IL-1以及TNF-α）誘導表達，從而抑制TGF-β/BMP信號，它也可以調控TNF-α/NF-κB、JNK/p38以及Wnt等其他重要的信號通路【4】。不過Smad7對其他信號通路的調控基本都是通過抑制TGF-β/BMP信號間接實現的。另外，有關Smad7在胚胎幹細胞（ESC）中的功能也有報道。比如，Smad7可以控制人ESC向端腦方向分化【5】，促進小鼠造血幹細胞的自我更新【6】。但是，Smad7是否能夠通過TGF-β非依賴的方式來調控幹細胞的自我更新與分化，這個問題目前並不清楚。

早前的研究表明，白血病抑制因子（LIF）對於維持小鼠ESC的全能性至關重要。LIF屬於IL-6細胞因子家族，能夠通過共同受體gp130以及STAT3傳遞信號【7】。當LIF與異源二聚受體複合物（gp130和LIFR）結合後，偶聯在受體胞內段的酪氨酸激酶JAK被激活，並且磷酸化gp130胞內段的酪氨酸殘基，從而為STAT3蛋白的SH2結構域提供了錨定位點。當STAT3結合到受體之後，被JAK磷酸化從而二聚化，進而轉運入核，激活靶基因的轉錄。磷酸酶SHP2可以通過去磷酸化gp130【8】，E3連接酶SOCS3可以通過負反饋機制抑制 STAT3激活【9】，從而終止 STAT3信號通路。LIF激活的STAT3可以和轉錄因子Oct4、Sox2、Nanog以及Smad1/5/8協同作用，共同維持小鼠ESC的全能性【10】。另外，STAT3可以促進TGF-β1【11】以及Smad7【12】的表達，並且與Smad3相互作用抑制TGF-β信號通路。雖然STAT3和TGF-β都可以誘導Smad7的表達，但是Smad7是否與STAT3信號通路存在直接的crosstalk，從而影響ESC的全能性，還有待闡明。

在馮新華課題組的這項研究中，研究人員首先發現Smad7在未分化的小鼠ESC中高表達，隨著細胞的分化，其表達水平逐漸下降。在擬胚體（EB）分化實驗中，過表達Smad7能夠有效遏制乾性基因的下降，從而維持細胞的全能性。而敲減Smad7會顯著抑制小鼠ESC的自我更新，並且促進ESC向外胚層和中胚層分化。更重要的是，Smad7還會影響小鼠體細胞向iPSC重編程的過程。研究人員發現，在重編程的過程中，伴隨著全能性基因的表達，Smad7的表達水平也會上升。如果敲減掉Smad7會明顯減少iPSC克隆的形成。所以，不管是維持小鼠ESC的自我更新，還是提高體細胞的重編程效率，Smad7都起到了關鍵的調控作用。

考慮到Smad7最經典的功能就是TGF-β/BMP信號的抑制因子，所以一開始研究人員很自然地想到，Smad7很有可能是通過抑制TGF-β信號從而促進ESC的自我更新的。然而實驗結果卻很意外。通過使用TGF-β/BMP特異性的抑製劑，以及Smad7喪失其抑制TGF-β/BMP能力的點突變，都證明Smad7對ESC全能性的調控是不依賴於TGF-β/BMP信號通路的，這表明很有可能存在著一種全新的分子機制。

研究人員通過質譜方法分析了Smad7在小鼠ESC中潛在的相互作用蛋白，發現Smad7可能和gp130-STAT3信號通路存在直接的crosstalk。實驗發現，Smad7果然能夠在ESC中增強LIF激活的STAT3信號，並且同樣也不依賴於TGF-β/BMP。那麼，Smad7究竟是通過什麼機制促進LIF-STAT3的呢？研究人員接下來又利用免疫共沉澱（Co-IP）的方法對gp130-STAT3信號通路中重要的蛋白進行了篩選，確認Smad7與共受體gp130存在直接相互作用。並且，Smad7在gp130上的結合區域恰好與gp130-STAT3的負調控因子SHP2/SOCS3的結合位點（Y759）重合。進一步的體外體內實驗也都表明Smad7確實能夠抑制SHP2/SOCS3與gp130的結合。最後還通過一系列實驗證明了Smad7通過拮抗SHP2/SOCS3對LIF-STAT3信號通路的抑制作用，從而增強STAT3信號，維持ESC的自我更新（圖2）。

圖2 Smad7增強gp130-STAT3信號的分子機制

綜上所述，該研究揭示了Smad7與STAT3信號的相互作用對於維持小鼠胚胎幹細胞全能性的關鍵作用。我們知道，除了影響幹細胞的全能性，TGF-β-Smad與gp130-STAT3信號通路的相互作用還存在於許多重要的生理病理過程。所以我們相信，這一全新的分子機制極有可能在炎症反應以及腫瘤中有更為廣泛的影響。

參考文獻：

1.Beyer TA, Narimatsu M, Weiss A, David L, & Wrana JL (2013) The TGF-β superfamily in stem cell biology and early mammalian embryonic development. Biochim Biophys Acta 1830(2): 2268-2279.

2.Sakaki-Yumoto M, Katsuno Y, & Derynck R (2013) TGF-beta family signaling in stem cells. Biochim Biophys Acta 1830(2): 2280-2296.

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馮新華教授簡介

馮新華，博士，國家特聘專家，現任浙江大學生命科學研究院教授 、首席研究員、院長 。1983年畢業於武漢大學生物系，1986年在中國科學院遺傳研究所獲得遺傳學碩士學位，1992年在美國馬里蘭大學（University of Maryland-College Park）獲得植物學博士學位。1993至1999年在美國加州大學舊金山分校（UCSF）先後從事博士後訓練和擔任研究助理教授，1999年底起在美國貝勒醫學院（BCM）外科學系、分子與細胞生物學系擔任助理教授 ，2003年獲任為副教授（tenured），2007年升為教授（tenured），併兼任Duncan 癌症中心、STaR幹細胞與再生醫學中心、炎症生物學中心研究員。2009年底起回到浙江大學組建生命科學研究院，同年入選中組部「千人計劃」。馮新華長期從事信號轉導網路和蛋白質翻譯後修飾在正常組織器官發育、幹細胞維持和分化以及癌症發生和轉移中的功能與機制研究，在國際上享有極高的學術聲譽，尤其在TGF-β信號領域的研究處於國際領先地位。先後獲得過Keck Distinguished Young Scholar、American Cancer Society Research Scholar、Leukemia & Lymphoma Society Scholar、Michael E. DeBakey Excellence in Research、AAAS Fellow、長江學者講座教授以及浙江省有突出貢獻中青年專家等重要學術獎項。先後擔任國際主流學術雜誌JBC 等6個學術雜誌編委或副主編。回國後受到國家自然科學基金重大項目和科技部重大研究計劃等資助。

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