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在全世界范围内，肺癌是发生率和死亡率最高的癌症，是导致癌症不良预后和死亡的主要原因【1】。肺癌按组织学可以分为小细胞肺癌和非小细胞肺癌，其中非小细胞肺癌占每年新发肺癌病例的 85%；按照组织病理学特征非小细胞肺癌可进一步划分为三种亚型，即肺腺癌、肺鳞癌和大细胞癌【2】。大量研究表明受体酪氨酸激酶和RAS通路（KRAS， EGFR，BRAF和HER2）的突变激活和异常表达会诱发非小细胞肺癌【3】。蛋白质泛素化修饰在蛋白质翻译后修饰中发挥重要作用，泛素连接酶（E3， ubiquitin ligase）通过给底物蛋白标记泛素链，调控其蛋白稳定性或活性。越来越多的证据表明泛素化修饰在肿瘤发生发展中扮演重要角色，泛素化修饰可以通过调控重要癌蛋白或抑癌蛋白的稳定性与活性从而影响肿瘤的发生发展，因此靶向泛素化修饰过程也可以作为肿瘤治疗的策略之一【4】。与其它的翻译后修饰过程相似，泛素连接酶对底物蛋白的泛素化修饰可以被去泛素化酶 (DUB，deubiquitylase)逆转，去泛素化酶通过将泛素链从底物上去除达到拮抗泛素化修饰的作用。在人类的蛋白质系统中，大约有100个DUB成员，它们通过蛋白结构与分子特征可以分为六个亚家族：UCHs、USPs、OTUs、Josephins、JAMMs和MCPIP【5】。
此前，军事科学院军事医学研究院张令强研究员课题组曾在Nature Cell Biology杂志报道OTU亚家族中的OTUD3在乳腺癌中是一个肿瘤抑制基因，OTUD3蛋白能够直接与PTEN相互作用并稳定PTEN，从而拮抗PI3K/AKT信号通路，抑制乳腺癌的发生发展【6】。这是首次揭示OTUD3的作用底物及在肿瘤发生发展中的角色。那么，OTUD3是否是一个广谱的抑癌因子呢？
图1. OTUD3稳定PTEN模式图 引自【6】
2019年7月2日，来自军事科学院军事医学研究院生命组学研究所/国家蛋白质科学中心（北京）的张令强团队和大连医科大学韩传春副教授合作在Nature Communications杂志发表了题为The deubiquitylase OTUD3 stabilizes GRP78 and promotes lung tumorigenesis的研究论文。此次研究成果报道了OTUD3在其它种类肿瘤特别是肺癌中的重要功能。
研究表明，OTUD3的抑癌作用并不仅限于乳腺癌，基于肿瘤细胞系的研究发现OTUD3在结直肠癌、肝癌、子宫颈癌中同样发挥了抑制肿瘤细胞增殖与转移的作用。但出乎意料的是：研究人员却发现OTUD3促进了肺癌的发生发展，这体现了OTUD3在肿瘤中的功能异质性。
为了进一步确认OTUD3在肺癌中的功能，研究人员构建了 KrasLSL-G12D/WT/OTUD3 KO 以及 KrasLSL-G12D/WT/OTUD3 TG小鼠肺癌诱导成瘤模型，发现与 KrasLSL-G12D/WT/ OTUD3 WT 小鼠相比，KrasLSL-G12D/WT/OTUD3 KO小鼠对肺癌发生的抵抗性增强，生存期延长，而KrasLSL-G12D/WT/OTUD3 TG小鼠对肺癌发生的抵抗性减弱，生存期缩短。因此研究人员在小鼠体内揭示了OTUD3促进肺癌发生发展的重要作用。这是首次利用OTUD3 KO小鼠研究OTUD3在肿瘤中的功能。
图2. 敲除 OTUD3 后，肺癌的发生发展减缓
随后研究人员还利用临床病人的组织芯片研究OTUD3与PTEN在其他多种肿瘤中的表达关系，结果显示OTUD3与PTEN在人乳腺癌、肝癌、结直肠癌和宫颈癌的癌组织中均低表达，但OTUD3却在肺腺癌中高表达。机制上，筛选发现蛋白分子GRP78（glucose-regulated protein 78kDa）是一个潜在的OTUD3结合蛋白。
GRP78，又称 Bip（immunoglobulin heavy chain）或 HSPA5（heat shock protein family A member 5），是热休克蛋白 HSP70 家族(heat shock protein 70 family)中一个非常重要的成员【7】。GRP78能调控内质网的稳态，作为内质网应激的感受器在未折叠蛋白反应（unfolded protein response， UPR）中发挥折叠和运输蛋白的作用【8】。此外，GRP78能够发挥促进肿瘤的增殖、转移及抑制凋亡的作用，并与肿瘤的耐药性密切相关【9】。虽然有研究揭示GRP78的泛素化修饰,但其去泛素化及稳定维持机制还没有被报道过。他们的研究发现，OTUD3在肺癌中通过去泛素化和稳定GRP78发挥促癌功能，而且在肺癌细胞中，GRP78是OTUD3的一个特异性底物。这是国际上首次鉴定GRP78的去泛素化酶。
总的来说，研究人员通过深入地研究，利用OTUD3基因敲除小鼠揭示了OTUD3在不同肿瘤中的生物学功能。发现去泛素化酶OTUD3在肺癌中非但不能抑制肿瘤，反而发挥促癌功能。依据OTUD3在乳腺癌与肺癌中发挥截然相反的功能，结合去泛素化酶数量远少于泛素连接酶数量这一现象，这必将导致一个去泛素化酶调控多个底物，因此，我们有理由猜想大多数去泛素化酶可能在不同组织类型的肿瘤中具有不同的作用。这将为肿瘤的精准治疗提供极为重要的理论指导。
图4. OTUD3在不同肿瘤中具有角色两面性
据悉，该研究的共同第一作者是军事科学院军事医学研究院的杜同德博士和李洪昌博士，军事科学院军事医学研究院张令强研究员和大连医科大学韩传春副教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10824-7
1. Bray, F. et al. Global cancer statistics 2018: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J Clin 68, 394-424 (2018).
2. Molina, J.R., Yang, P., Cassivi, S.D., Schild, S.E. & Adjei, A.A. Non-small cell lung cancer: epidemiology, risk factors, treatment, and survivorship. Mayo Clin Proc 83, 584-594 (2008).
3. Herbst, R.S., Morgensztern, D. & Boshoff, C. The biology and management of non-small cell lung cancer. Nature 553, 446-454 (2018).
4. Swatek, K.N. & Komander, D. Ubiquitin modifications. Cell Res 26, 399-422 (2016).
5. Komander, D., Clague, M.J. & Urbe, S. Breaking the chains: structure and function of the deubiquitinases. Nat Rev Mol Cell Biol 10, 550-563 (2009).
6. Yuan, L. et al. Deubiquitylase OTUD3 regulates PTEN stability and suppresses tumorigenesis. Nat Cell Biol 17, 1169-1181 (2015).
7. Munro, S. & Pelham, H.R. An Hsp70-like protein in the ER: identity with the 78 kd glucose-regulated protein and immunoglobulin heavy chain binding protein. Cell 46, 291-300 (1986).
8. Lee, A.S. Glucose-regulated proteins in cancer: molecular mechanisms and therapeutic potential. Nat Rev Cancer 14, 263-276 (2014).
9. Miao, Y.R. et al. Inhibition of established micrometastases by targeted drug delivery via cell surface-associated GRP78. Clin Cancer Res 19, 2107-2116 (2013).
