LIF受体乙酰化介导的代谢异常在乳腺癌中的功能及机制研究

Breast cancer is one of the cancers that have impact on women's health. A sharp rise in the breast cancer incidence in China over the past recent years suggests that protein modification and epigenetic variation may serve as the important mechanisms of breast cancer in addition to genetic factors. We found that in many breast cancer cells with metastasis, leukemia inhibitory factor (LIF) secretion and its receptors (LIFR and gp130) expression are elevated. Nuclear CREB binding protein (CBP) accumulates in cytoplasm to acetylate LIFR and gp130, followed by STAT3 and STK40 activation, that trigger energy metabolism and epigenetic changes in mitochondria. Accordingly, we propose that LIF signaling pathway relies on acetylation for activation. Constitutive LIF-mitochondrial metabolishm pathway activation is one important mechanism for breast cancer tumorgenesis. We will apply mass spectrometry, gene (STAT3, STK40) knockout mouse models, and high throughput drug sreening to study the mechanisms of the reversible acetylation of LIF signaling pathway, and its abnormal activation in the breast cancer tumorgensis and metastasis. We will explore the activating of STAT3-STK40 in energy metabolism regulation, screen the drug for blocking STAT3 mitochondrial translocation. This study will provide an important clue for the novel mechansim of breast cancer tumorgenesis, drug screening, and therapy.

乳腺癌是影响女性健康的恶性肿瘤之一。近年我国乳腺癌发病率激增，提示蛋白修饰和表观遗传的变异可能是乳腺癌发生的重要机制。我们发现，在转移乳腺癌细胞中，白血病抑制因子(LIF)分泌旺盛，且LIF受体表达过高，核内表观遗传蛋白CREB binding protein(CBP)在胞浆积聚。进一步实验发现LIF受体被CBP乙酰化，激活STAT3和STK40，参与线粒体能量代谢、表观遗传调节。据此，我们提出LIF信号通路依赖乙酰化激活，该通路乙酰化异常致线粒体能量代谢紊乱可能是乳腺癌发病的重要机制。我们将利用高分辨质谱分析、基因（STK40，STAT3）敲除动物模型、小分子药库等手段研究LIF信号通路可逆乙酰化修饰机制和该通路乙酰化异常对乳腺癌发生和转移的作用；STAT3-STK40对能量代谢的调控；筛选STAT3线粒体转移的抑制剂。本研究将为发现新的乳腺癌发病机制、药物筛选、治疗提供重要依据。

蛋白修饰和表观遗传的变异可能是导致肿瘤发生的重要机制.在多种癌细胞中，白血病抑制因子(LIF)分泌旺盛，且LIF 受体表达过高，可以激活STAT3。因此，我们主要探索了LIF 信号通路是否依赖乙酰化激活，该通路乙酰化异常致线粒体能量代谢紊乱是否是肿瘤发病的重要机制。主要的方法利用高分辨质谱分析、基因（STK40，STAT3）敲除动物模型、小分子药库等手段研究LIF 信号通路可逆乙酰化修饰机制和该通路乙酰化异常对肿瘤发生和转移的作用和STAT3-STK40对能量代谢的调控。我们对LIF 信号通路研究发现，LIF可以形成二聚体并且和gp130结合诱导LIFR乙酰化。LIFR乙酰化后导致STAT3活化；LIFR C端尾部4SPXS的磷酸化抑制了LIF信号；LIFR 乙酰化和磷酸化分别调控老鼠胚胎干细胞的多能性。另外我们发现：p300可以在LIF的刺激下引起LIFR的3K序列发生乙酰化，该部位的乙酰化对LIFR的二聚体的形成极其重要。LIFR的乙酰化可以被HDAC2逆转发生去乙酰化，而且在近膜区的LIFR的3K序列乙酰化可以活化STAT3。 有趣的是LIFR的SPXX的尾部可以限制STAT3的活化。我们的结果进一步显示了STAT3信号通路如何调控线粒体能量代谢。我们发现饥饿细胞胞浆STAT3被胰岛素生长因子刺激或血清中的因子激活发生乙酰化后转移到线粒体。在线粒体，STAT3与PDC-E1结合随后加速了丙酮酸转化为乙酰辅酶A升高了线粒体的膜电位，促进ATP合成。SIRT5可以使STAT3去乙酰化，从而抑制了丙酮酸的代谢。在肺癌细胞中，持续乙酰化的STAT3停留在线粒体，导致线粒体处于高膜电位和ATP合成处于活性状态。我们研究还发现胰岛素激活STAT3是通过靶向线粒体的乙酰化作用。STAT3与丙酮酸脱氢酶复合体E1（PDCE1）形成一个复合物，并且该复合物对丙酮氨酸-乙酰辅酶A之间的转化起重要作用。在线粒体内，STAT3被多种去乙酰化酶（SIRTs）作用后发生去乙酰化。乙酰化STAT3可以影响三羧酸循环（TCA）呼吸链的功能。我们的研究全面揭示CBP-乙酰化依赖的LIFR/gp130的信号转导通路的激活机制；揭示在肿瘤细胞,线粒体能量代谢如何被LIF通过LIF的膜受体LIFR/gp130-STAT3信号通路调控；显示了CBP的出核和/或STK40劫持STAT3进入线粒体从而调控