【导读】癌症异常的抗氧化能力与肿瘤恶性程度密切相关。Nrf2是多种抗氧化酶的关键调节因子，但其去泛素化的机制尚不清楚。
12月1日，武汉大学中南医院研究团队在期刊《Cell Death&Disease》上发表了研究论文，题为“The USP11/Nrf2 positive feedback loop promotes colorectal cancer progression by inhibiting mitochondrial apoptosis”，本研究揭示了在结直肠癌（CRC）中，一种与蛋白酶体相关的去泛素化酶USP11对Nrf2进行转录后调节。研究发现，USP11在CRC组织中过表达，作为一种致癌基因，它通过抑制线粒体凋亡来促进CRC的发生和发展。USP11还能维持ROS的产生和清除之间的平衡。机制上，研究人员发现了USP11和Nrf2之间的反馈回路，维持着氧化还原稳态。USP11通过去泛素化和保护Nrf2免受蛋白酶体介导的降解来稳定Nrf2。尤其是，研究人员还发现Nrf2能够结合在USP11启动子中的抗氧化反应元件（ARE）上，促进其转录。因此，USP11/Nrf2正反馈回路通过激活Nrf2/ARE信号通路来抑制CRC细胞的线粒体凋亡，从而促进CRC进展。
https://www.nature.com/articles/s41419-024-07188-2#Abs1
研究背景
01
统计数据表明，全球在一年内诊断出190多万例结直肠癌（CRC）病例，死亡病例则高达93.5万例。数据还表明，CRC在发病率跃升至第三位，在死亡率则位居第二位。鉴于这种极高的发病率和死亡率，CRC对人类健康构成了重大威胁，并需要立即引起重视。对于CRC的治疗，主要采用手术、化疗、放疗、靶向治疗和免疫疗法，但这些疗法的有效性有限，仅对部分患者有益。因此，进行进一步的研究以发现更有效的治疗方法或提高现有疗法的效率至关重要。
活性氧分子（ROS）是氧化应激产生的主要分子，被认为是肿瘤发生、增殖和复发的重要因素。然而，过高的ROS水平也可能导致细胞凋亡。
因此，氧化应激状态的调节成为一种新的抗癌治疗靶点。Nrf2，又称为NFE2L2，是细胞内抗氧化剂的关键分子。它能够识别并结合抗氧化应答元件（AREs），促进下游基因表达，调节内源性氧化还原系统平衡。ARE是一个位于基因启动子区域的5'-TGACnnnGC-3'序列，存在于SOD、NQO1等抗氧化酶基因的启动子序列中。目前，大量文献已经证实Nrf2可以通过KEAP1-CUL3-RBX1、β-TrCP-SKP1-CUL1-RBX1和HRD1这三种泛素化修饰通路被降解，但Nrf2的去泛素化过程仍有待进一步研究。
敲低USP11促进线粒体凋亡
02
为阐明USP11对CRC的影响，研究人员根据USP11的高表达和低表达将AOM/DSS模型小鼠分为两组，并检测了与凋亡相关的标志物：外源性凋亡通路（Caspase8）；内质网应激通路（Caspase12、CHOP）；线粒体凋亡通路（AIF、细胞色素C）。研究人员发现在10周小鼠模型中，USP11高表达组的Caspase8、CHOP、AIF和细胞色素C的mRNA水平低于低表达组。对于28周模型小鼠，高表达组的Caspase8和AIF的mRNA水平降低，这表明USP11通过抑制线粒体凋亡促进CRC的发展。接下来，研究人员验证了USP11在CRC细胞中的差异表达是否与线粒体凋亡有关。首先，研究人员确认抑制USP11表达能促进CRC细胞凋亡并抑制其增殖。随后，研究人员进一步研究了USP11对结直肠癌细胞线粒体凋亡的影响。敲低HCT116/DLD1细胞的USP11后，线粒体分裂蛋白Fis1和Drp1的mRNA水平增加，线粒体凋亡蛋白：Cleaved PARP1、Cleaved Caspase9、Bak、Bax、Cleaved Caspase3和细胞色素C的表达也显著增加。
敲低USP11促进线粒体凋亡
USP11号对细胞凋亡的影响是通过调节Nrf2/ARE信号通路实现的
03
为了进一步探究敲低USP11导致结直肠癌细胞线粒体凋亡的机制，研究人员在GEO数据库中识别了GSE132359数据集。KEGG通路富集分析显示，USP11敲低后氧化磷酸化通路显著激活。这一结果与TCGA数据集的类似观察结果一致。研究人员进一步研究了USP11敲低是否能诱导结直肠癌细胞产生氧化应激。流式细胞术分析显示，在HCT116/DLD1细胞中敲低USP11显著增加了总的和线粒体的ROS水平。而且，对一种重要的抗氧化剂——细胞内谷胱甘肽（GSH）的测量显示，与NC组相比，USP11敲低组的GSH水平显著降低。这些结果共同表明，USP11敲低促进了ROS的产生，从而在结直肠癌细胞中诱导了氧化应激。Nrf2是一种广泛表达的转录因子，它具有抗氧化作用，能够与ARE结合并促进下游基因表达，增强细胞的抗氧化能力。与NC组相比，USP11敲低组中Nrf2及其下游抗氧化分子HO-1、NQO1、GCLC、GPX1和CAT的mRNA表达水平显著降低。蛋白质免疫印迹实验分析也显示，USP11敲低组中Nrf2及其下游分子HO-1和NQO1的蛋白水平显著降低，这表明敲低USP11能够抑制Nrf2/ARE信号通路，导致细胞发生氧化应激。综上所述，本研究结果揭示了USP11敲低对CRC细胞的影响，为进一步研究其作为潜在治疗靶点的可能性开辟了途径。
结论
04
综上，本研究发现，USP11在CRC组织中高度表达，与不良预后相关。抑制CRC细胞中USP11的表达可以促进Nrf2的泛素化和降解，从而抑制NRF2/ARE信号通路，增加细胞内活性氧（ROS）水平，导致CRC细胞线粒体凋亡。
【参考资料】
https://www.nature.com/articles/s41419-024-07188-2#Abs1
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