一类既抑制膀胱癌又降低胆固醇的蛋白UBIAD1的分子机制研究

The applicant discovered a novel Drosophila tumor suppressor gene Heix, which is homologous to human UBIAD1 (TERE1). UBIAD1 not only can suppress bladder carcinoma but also can lower the intracellular cholesterol level. In addition, UBIAD1 is the key enzyme in human vitamin K (MK-4) biosynthesis. Although research on UBIAD1 has great biomedical significance, the molecular mechanism of UBIAD1 is still not clear. In this project, based upon our previous experiments showing that UBAID1 suppresses carcinogenesis by inhibiting Ras-MAPK signaling, we propose that UBAID1 prenylates H-Ras by using vitamin K (MK-4) as the donor of geranylgeranyl side chain. This modification will regulate the intracellular trafficking of H-Ras and inhibite the activation of Ras-MAPK signal transduction on cell membrane. As the result, it will lower the intracellular cholesterol level and suppress tumorigenesis. Our project in this proposal will exploit various biomedical research methods to verify this model: a) We are going to use protein studying techniques to verify a protein complex composed of UBIAD1, H-Ras and ApoE on the Golgi apparatus; b) We are going to use protein MASS spectrometry combined with fluorescent probe to explore the modification of H-Ras by the above protein complex; c) We are going to use cell technology to study the influence of the above protein modification on the proliferation and apoptosis of bladder carcinoma cells; d) We are going to try to establish an animal model of UBIAD1 in suppressing cancer and lowering cholesterol. Our project will elucidate the relationship between lipid metabolism, carcinogenesis and vitamin K biosynthesis. It will have the biomedical potential to exploit UBIAD1 for cancer diagnosis and treatment, as well as for lowering the human intracellular cholesterol level, in the future.

申请人发现了一种新的果蝇抑癌基因-黑血点（Heix），与其后发现的人体UBIAD1(TERE1)同源。UBIAD1既抑制膀胱癌又降低胆固醇，还是维生素K的合成酶，其研究意义重大而分子机制却不清楚。本课题拟1）在我们前期发现UBIAD1调节Ras-MAPK的基础上，提出UBIAD1利用维生素K，异戊烯化H-Ras，调控H-Ras胞内循环，进而抑癌降脂的分子机制；2）印证以上分子机制：a)用蛋白质技术，确定UBIAD1、H-Ras和ApoE在高尔基体上形成蛋白复合体；b)用质谱结合荧光探针，探索以上复合体对H-Ras的修饰和胞内循环的调控；c)用细胞信号转导技术，研究以上修饰对膀胱癌细胞增殖和凋亡的影响及对胆固醇含量的调节；d)建立UBIAD1抑癌降脂的动物模型。该研究将初步揭示脂代谢、癌变和维生素K合成三者之间的联系，具有利用UBIAD1来诊断与治疗恶性肿瘤和降低胆固醇的医学转化潜力。

本基金申请时拟定的研究目标为：探索UBIAD1异戊烯化H-Ras，调控H-Ras胞内循环，进而抑癌降脂的分子机制。前期我们的研究结果表明UBIAD1蛋白可能调节Ras-MAPK信号通路，但具体分子机制不清楚。为此我们的研究从以下几个方面展开：首先，我们分析了UBIAD1在细胞内（正常细胞和膀胱癌细胞）的亚细胞定位。发现UBIAD1 定位于高尔基体上，其定位信号为RPWS，UBIAD1 蛋白在高尔基体上的定位影响其抑癌机制。其次，我们进一步研究了UBIAD1对Ras-MAPK信号转导途径的影响，发现UBIAD1直接作用在H-Ras上。运用免疫共沉淀（IP）以及FRET分析等手段，发现UBIAD1在高尔基体上直接与H-Ras相结合，并将H-Ras固定在高尔基体上。第三，通过运用质谱等一系列蛋白质分析手段，我们发现UBIAD1直接修饰H-Ras，H-Ras是UBIAD1的第一个蛋白质底物，UBIAD1是崭新的H-Ras的异戊烯化转移酶。UBIAD1通过直接异戊烯化H-Ras，将H-Ras固定在高尔基体上，防止了H-Ras的上膜和激活，并在高尔基体上发出细胞凋亡信号，凋亡肿瘤细胞。利用模式动物果蝇为模型，发现UBIAD1缺失的果蝇，出现了血液中的黑色素瘤，加入UBIAD1的heix突变果蝇抑制了Ras-MAPK信号通路，又恢复了野生型的表型，表明可以利用heix突变果蝇作为人体肿瘤模型。由于UBIAD1是人体中唯一的维生素K2的合成酶，我们研究了维生素K2对人体膀胱癌的影响，初步发现维生素K2可以通过激活ROS，来诱导人体膀胱癌细胞T24等的凋亡。在研究中，我们初步发现维生素K2能够通过ROS-MAPK-线粒体途径来抑制膀胱癌细胞生长，并且能引起膀胱癌细胞凋亡。因此，我们的研究结果能够为下一课题（探索维生素K2的抗癌机制和治疗膀胱癌方法）提供理论依据和实验基础，前景看好。