泛素连接酶复合物骨架蛋白CUL4B在调控肿瘤干细胞形成和自我更新中的作用及其机制研究

CUL4B is a scaffold protein in ubiquitin E3 ligase complex. Our previous studies found developmental abnormality in patients with loss of function mutation in CUL4B, and embryonic lethality in Cul4b knock-out mice. Moreover, overexpression of CUL4B has been detected in many solid tumors such as breast cancer and prostate cancer. Further research has revealed that CUL4B complex, CRL4B, can catalyze H2AK119 monoubiquitination and coordinate with PRC2 to promote tumorigenesis via regulating many tumor suppressors including p16 and PTEN. Cancer stem cells are not only associated with tumor initiation and growth , but also play a crucial role in metastasis, drug resistance and relapse. Does CUL4B promote tumorigenesis through regulation of cancer stem cells? To test this hypothesis, we will study the regulation of expansion of cancer stem cells by CUL4B in breast cancer, prostate cancer, and colorectal cancer. We will also investigate the molecular mechanism, and identify the target genes of CUL4B in cancer stem cells. This can help understand biological functions of CUL4B in diseases and provide new targets for cancer treatment.

CUL4B是泛素连接酶复合物的骨架蛋白，我们前期发现CUL4B功能丧失导致人类发育异常和小鼠胚胎致死。最近我们发现CUL4B在乳腺癌、前列腺癌等多种肿瘤组织高表达；CUL4B复合物通过单泛素化H2AK119、协同PRC2调控包括p16、PTEN在内的多种抑癌基因；CUL4B通过抑制miRNA372-373而调控细胞周期蛋白CDK2表达进而影响DNA复制。由于肿瘤干细胞（CSCs)不仅是肿瘤发生的重要生物学基础，也是肿瘤转移、抵抗治疗和复发的重要机制，那么CUL4B促进肿瘤发生发展是不是通过调控CSCs实现的呢？为此，本课题将以乳腺癌、前列腺癌和结直肠癌为研究对象，研究CUL4B在CSCs形成和自我更新中的作用，发现CUL4B调控CSCs的关键分子及其调控机制，并分析CUL4B及其靶分子表达与肿瘤演进、转移和治疗抵抗等表型的相关性，为理解CUL4B在肿瘤发生发展中的作用机制提供理论依据。

CUL4B是泛素连接酶复合物的骨架蛋白，我们的前期研究发现CUL4B丧失功能突变导致人类和小鼠发育异常；另一方面，CUL4B在多种实体瘤组织中高表达，通过抑制多种抑癌基因表达而促进肿瘤发生发展。为分析CUL4B在调控肿瘤干细胞形成中的作用及其机制，我们首先通过抑制CUL4B表达或过表达CUL4B分析了CUL4B表达水平对肿瘤干细胞形成的影响。发现下调CUL4B表达，抑制EMT表型和肿瘤干细胞成球能力、干细胞数目明显减少；相反，过表达CUL4B促进EMT表型和增加肿瘤干细胞形成能力。. 机制分析显示：1）CUL4B通过负调控E-cadherin表达而促进肿瘤EMT和干性特征，CUL4B复合物一方面通过转录抑制miRNA表达进而增加Snail表达，另一方面该复合物直接参与E-cadherin的转录调控；2） 发现CUL4B通过转录抑制miRNA-34a进而正调控CD44表达而促进大肠癌细胞干性。3）发现 CUL4B通过转录抑制Wnt通路拮抗分子（Axin2, PPP2CB, PPP2R2B，DKK1）而激活Wnt/beta-catenin通路进而促进肝细胞癌发生发展。 4）发现CUL4B协同Sin3A/HDAC复合物调控CDKN1A和CDKN1C表达进而促进细胞周期进展。CUL4B复合物可以与SIN3A／HDAC复合物结合共同定位于CDKN1A和CDKN1C基因的启动子区域，一方面通过单泛素化H2AK119，另一方面通过催化组蛋白去乙酰化，共同抑制CDKN1A和CDKN1C基因转录。5）发现CUL4B与miR-194形成负调控反馈环而在肺癌发生发展中发挥重要作用；6）发现CUL4B通过调控髓源抑制细胞（MDSCs）而在肿瘤微环境调控中发挥重要作用， CUL4B通过调控Akt/Gsk3beta/beta-catenin通路而调控髓系细胞分化，血液系统缺失Cul4b导致髓源抑制性细胞积累，促进肿瘤生长和转移。7）发现CUL4B通过调控髓源抑制细胞（MDSCs）IL-6表达，进而通过IL-6/STAT3信号通路调控肿瘤细胞干性。综上，我们的研究结果显示，CUL4B在肿瘤细胞中发挥癌基因的作用，而在肿瘤微环境中发挥抑癌基因作用。