The EMBO Journal:浙江大学张龙研究组等阐述TGF-β家族蛋白SMAD4奇妙的
2017年5月3日，国际知名学术期刊《The EMBO Journal》杂志上在线发表了浙江大学生命科学研究院张龙实验室和和荷兰莱顿大学Peter ten Dijke教授合作的题为“USP4 inhibits SMAD4 monoubiquitination and promotes activin and BMP signaling”的文章，该文章阐述了TGF-β 家族蛋白SMAD4奇妙的修饰和回收利用的机制：单泛素化的SMAD4被去泛素化酶USP4识别切除泛素链后被运输到细胞质中重新利用。本文的第一作者是周芳芳博士和谢枫博士，张龙教授和Peter ten Dijke教授为本文的共同通讯作者。
转化生长因子β (TGF-β)信号通路很早被人们所发现，是一条从果蝇到人类都共有的重要的信号通路。TGF-β家族蛋白包括TGF-βs，激动素( activins)，骨形态发生蛋白(BMPs)，在调控干细胞命运，胚胎发育和维持组织内稳态发挥着关键的作用。失调的TGF-β家族蛋白活性会导致发育缺陷和疾病。TGF-β抑制早期肿瘤的发生，但在肿瘤发生后期却促进肿瘤的转移。因而在恶性肿瘤中该通路被视为抗肿瘤药物的作用靶点。去泛素化酶是一类优良的小分子药物靶点。该研究通过寻找特异性作用于TGF-β/Activin信号的去泛素化酶，并深入研究其作用的分子机理，以期为临床实践和小分子药物筛选建模提供基础。
SMAD4分子具有极强的蛋白稳定性，是TGF-β 家族蛋白中一个必然会被回收利用多次的蛋白分子。细胞内是什么机制保证了SMAD4在响应配体信号刺激结合R-SMAD发挥功能后又能迅速地被再利用的呢?
本文章发现SMAD4的单泛素化对于其与R-SMAD的结合发挥抑制作用。单泛素化由Smurf2泛素连接酶催化形成，被USP4去泛素化酶结合并去除。细胞内保持了一个c-Ski结合的SMAD4 pool，在TGF-β信号刺激条件下，c-Ski被R-SMAD-Smurf2诱导极为迅速地发生降解并释放SMAD4。增强的SMAD复合物同时也导致了SMAD4的单泛素化，单泛素化的SMAD4被USP4识别切除泛素链后被运输到细胞质中重新利用。如此，单泛素化在调节SMAD4的平衡再利用中发挥重要作用。更重要的是，USP4单泛素化SMAD4后，进而激活SMAD4介导的Activin和 BMP 信号，调控小鼠胚胎干细胞(mESCs)和早期斑马鱼胚胎发育。
图：SMAD4单泛素化的调控
SMAD4功能障碍涉及癌症和其他疾病，此项研究阐明了功能蛋白去泛素化协同调控胚胎干细胞发育的分子机制，实现了理论创新，将为针对肿瘤疾病的抗癌药物研发提供新思路和药物靶点。
原文链接：
USP4 inhibits SMAD4 monoubIQuitination and promotes activin and BMP signaling
原文摘要：
SMAD4 is a common intraCellular effector for TGF‐β family cytokines, but the mechanism by which its activity is dynamically regulated is unclear. We demonstrated that ubiquitin‐specific protease (USP) 4 strongly induces activin/BMP signaling by removing the inhibitory monoubiquitination from SMAD4. This modification was triggered by the recruitment of the E3 ligase, SMURF2, to SMAD4 following ligand‐induced regulatory (R)‐SMAD–SMAD4 complex formation. Whereas the interaction of the negative regulator c‐SKI inhibits SMAD4 monoubiquitination, the ligand stimulates the recruitment of SMURF2 to the c‐SKI‐SMAD2 complex and triggers c‐SKI ubiquitination and degradation. Thus, SMURF2 has a role in termination and initiation of TGF‐β family signaling. An increase in monoubiquitinated SMAD4 in USP4‐depleted mouse embryonic stem cells (mESCs) decreased both the BMP‐ and activin‐induced changes in the embryonic stem cell fate. USP4 sustained SMAD4 activity during activin‐ and BMP‐mediated morphogenic events in early zebrafish embryos. Moreover, zebrafish depleted of USP4 exhibited defective cell migration and slower coordinated cell movement known as epiboly, both of which could be rescued by SMAD4. Therefore, USP4 is a critical determinant of SMAD4 activity.
作者：张龙
