SUMO化修饰Lats1的效应、分子机制和意义的研究

Post-transcriptional modulation of proteins including ubiquitination and SUMOylation is critical for the cell functions. We previously demonstrated that SUMOylation of Lats1, a core kinase of Hippo signaling, at K751 attenuates Lats1 activity and subsequently inhibits the Hippo signaling and its tumor-suppressor functions (Mei et al., Cancer Lett. 2017;386:1-11). However, the effect, mechanism and significance of Lats1 SUMOylation are still unknown. Our preliminary data demonstrate that overexpression of SUMO1 actually increases the stability and activity of Lats1 through SUMOylating the Last1 at K830, and in hLats1(K830R) and hLats1 transgenic mice, hLats1(K830R) transgene results in attenuation of Hippo signaling and the consequent enlargement of liver. Based on these findings, the present study will focus on the effect and mechanism underlying SUMOylation-mediated stability of Lats1 and SUMOylation-resultant Lats1 activity by using in vitro cell culture, in vivo gene-modified mice and clinical sample approaches, The present study will not only provide with a new insight into the post-transcriptional modulation of Hippo signaling but highlight a potential importance of Lats1 post-transcriptional modulation in the organogenesis, tumorigenesis, and organic homeostasis.

SUMO化是一种多功能的蛋白质翻译后修饰方式。我们以前发现Hippo信号关键激酶Lats1的K751位点的SUMO化修饰削弱其激酶活性而抑制Hippo信号(Cancer Lett. 2017;386:1-11)，但SUMO化修饰究竟对Lats1产生怎样的影响却不得而知。前期的研究表明，SUMO化修饰反而增加了Lats1的稳定性以及尤为明显的Lats1活性，而K830才是SUMO化修饰增加Lats1稳定和活性的关键位点；同时，小鼠中hLats1(K830R) 转基因抑制了Hippo信号导致与YAP转基因一样明显增大的肝脏。因此，本项目拟进一步利用细胞模型、hLats1(K830R)转基因小鼠、mLats1(K829R) knock-in小鼠和临床样本阐明SUMO化修饰Lats1的效应、分子机制及意义。本项目不仅创新了Hippo信号的调控机制，而且为器官发育以及稳态维持提供了新的理论。

蛋白的SUMO化修饰是一种多功能的蛋白质翻译后修饰方式，在调控蛋白稳定性、活性、细胞内定位和功能中扮演了重要的角色。Hippo信号通路由一组保守的激酶构成，是一条抑制细胞生长的信号通路，在在癌症发生、组织再生以及干细胞的功能调控上发挥着重要的作用。我们以前发现Hippo信号关键激酶Lats1的K751位点的SUMO化修饰削弱其激酶活性而抑制Hippo信号(Cancer Lett. 2017;386:1-11)，但SUMO化修饰究竟对Lats1产生怎样的影响却不得而知。以前期研究为基础，我们开展了本项目的研究工作，研究表明：高低密度细胞状况下，Hippo信号激活的同时蛋白SUMO化修饰也被激活，SUMO化修饰不仅激活基础的Lats1而且也激活MST2诱导的Lats1，SUMO化修饰激活Lats1主要通过对K830/K829（人/小鼠）位点的SUMO化而实现，该位点的SUMO化通过E3连接酶PIAS1/2介导实现，相反，K830/K829位点的脱SUMO化突变失活Lats1，其原因是由于Lats1蛋白空间构象改变导致与Mob1结合减少。进一步，人类前列腺癌细胞中，存在Lats1的K830E的突变，该突变与K830R脱SUMO化突变一样，失活Lats1。小鼠中hLats1(K830R) 转基因抑制了Hippo信号导致与YAP转基因一样明显增大的肝脏，而Lats1-K829R的knock-in小鼠中则呈现明显的Lats1失活，Lats1与SUMO1和E3连接酶PIAS1/2的互作削弱。其结果，Lats1-K829R的knock-in雌性小鼠的妊娠率显著下降、血清黄体生成素（LH）和催乳素（PRL）水平的显著下降，与此同时，垂体细胞显著的增生，乳腺管发育的缺失以及卵巢肿瘤的形成，其表现与Lats1敲除的小鼠几乎完全一致。本项目的研究不仅创新了Hippo信号的调控机制，而且为器官发育以及稳态维持提供了新的理论，也为相关肿瘤治疗、组织再生提供新的理论和实践依据。