【Nature子刊】广东药科大学李雄团队发现磷酸化激酶PLK1调节癌症表观遗传新功能

近日，广东药科大学附属第一医院李雄团队在Nature子刊《Cell Death Discovery》上发表了题为“PLK1 Maintains DNA Methylation and Cell Viability by Regulating Phosphorylation-Dependent UHRF1 Protein Stability”的研究论文，该研究中，研究人员发现当PLK1被敲低、或者磷酸化激酶活性被抑制，全基因组总体的DNA甲基化水平减少，抑癌基因（TSG）的表达水平得到显著升高。进一步机制研究鉴定了表观遗传调节因子UHRF1是PLK1激酶新的底物。PLK1结合UHRF1蛋白，并诱导其在第265位丝氨酸发生磷酸化修饰，而UHRF1蛋白的磷酸化增强了其结合去泛素化酶USP7蛋白的能力，从而抑制了UHRF1蛋白通过泛素-蛋白酶体途径降解，维持了UHRF1蛋白的稳定性。反之，敲低PLK1、或者抑制PLK1的激酶活性减弱了UHRF1蛋白结合USP7的能力，激活了泛素-蛋白酶体通路，加速UHRF1蛋白质降解。众所周知，UHRF1作为重要的辅助因子，通过招募DNA甲基转移酶DNMT1结合到DNA复制叉新生DNA链的半甲基化DNA序列，维持DNA复制后DNA甲基化修饰的保真度。UHRF1蛋白降解减少了DNA甲基转移酶DNMT1在染色质上的结合，从而失去了对DNA甲基化的维护，降低全基因组DNA甲基化水平，增高了抑癌基因（TSG）的表达水平，降低了肿瘤细胞的增殖活力。本研究结果首次阐明了PLK1通过UHRF1-DNMT1通路在DNA甲基化维持中的作用，并揭示了PLK1激酶抑制剂新的抗癌分子机制。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37788997/

研究背景

01

蛋白翻译后修饰(PTMs)对细胞维持正常稳态至关重要。磷酸化是最常见的PTMs之一，在调节细胞生长、信号转导和维持稳态等方面发挥重要作用。蛋白质磷酸化的异常将导致一系列的疾病，包括癌症。Polo-样激酶1（PLK1）是一种关键的丝氨酸/苏氨酸激酶，包含激酶结构域和polo-box结构域。PLK1是一个主要的有丝分裂调节因子，在G2/M期的每个阶段都非常重要，包括有丝分裂的进入，染色单体分离和胞质分裂1。PLK1除了在细胞周期中起关键作用以外，还是一个重要的DNA复制调节因子。PLK1通过直接磷酸化Orc2来促进DNA复制，当PLK1缺失将抑制DNA复制的进展2。之前的研究表明，DNA复制伴随着全基因组DNA甲基化模式的遗传3，但PLK1是否调节DNA甲基化仍不清楚。

DNA甲基化是一种关键的表观遗传修饰，在转录调控、异染色质形成、基因组稳定和X染色体失活中起着至关重要的作用。DNA甲基化发生在CpG二核苷酸序列，并由甲基转移酶DNMT1、DNMT3A和DNMT3B共同调节。DNMT1通过被UHRF1招募到半甲基化的新生DNA链维持DNA复制后的DNA甲基化修饰保真度4。UHRF1作为一种典型的癌基因，在多种肿瘤中异常高表达，并参与肿瘤的发生和发展。过表达的UHRF1通过招募DNMT1来维持DNA甲基化并抑制肿瘤抑制基因（TSG）的转录5。除基因扩增外，磷酸化依赖的UHRF1蛋白稳定性对DNA甲基化的维持也至关重要。但PLK1是否通过发挥磷酸化修饰的功能调控UHRF1蛋白仍不清楚。本研究重点研究了PLK1对DNA甲基化水平的影响，阐明了PLK1通过UHRF1-DNMT1通路在DNA甲基化维持中的作用机制。

研究发现

02

PLK1是丝氨酸/苏氨酸激酶家族的成员，是控制中心体成熟、有丝分裂进入、染色体分离和胞质分裂的关键有丝分裂调节因子。此外，PLK1调控了DNA复制。之前的研究表明，DNA复制伴随着DNA甲基化模式的遗传。在本研究中，通过使用ELISA、Illumina array、DNA斑点杂交和HPLC等不同的DNA甲基化分析方法，首次报道了PLK1在全基因组DNA甲基化的调控中起关键作用。

抑制PLK1减少了全基因组DNA甲基化水平

通过诱导底物磷酸化，PLK1在包括癌症在内的多种疾病中发挥重要作用。已经鉴定出几个PLK1的底物，包括NOTCH1、FOXO1和FOXM1。在本研究中，我们首次鉴定UHRF1为PLK1新的底物。PLK1通过诱导UHRF1蛋白Ser265磷酸化，促进去泛素化酶USP7与UHRF1结合，降低UHRF1泛素化水平并维持UHRF1的蛋白稳定性。

DNMT1募集到染色质是维持DNA甲基化水平所必需的。UHRF1作为一个重要的辅助因子，将DNMT1招募到DNA复制叉的双链DNA，并在DNA复制过程中将半甲基化的CpGs转换为完全甲基化状态。在本研究中，PLK1以激酶依赖的方式维持UHRF1蛋白稳定性，从而促进了DNMT1结合到染色质并维持全基因组DNA甲基化水平。

由于异常DNA高甲基化导致TSG沉默是癌症的一个基本特征。在本研究中，PLK1与TSG启动子区DNA甲基化水平呈正相关，抑制PLK1显著提高了p16、p21、p73、MAGI2、SOX7和MSX1等TSG的表达水平。本研究揭示了PLK1通过磷酸化修饰促进UHRF1蛋白稳定性是肿瘤细胞中TSG被表观遗传沉默，从而打破癌基因和TSG之间的平衡、维持癌细胞增殖能力的分子机制。

工作模型：PLK1通过磷酸化UHRF1促进其与USP7蛋白结合，增加UHRF1蛋白稳定，进一步招募DNMT1与染色质结合并维持DNA甲基化，从而抑制TSGs表达并维持肿瘤细胞增殖。

研究意义

03

综上，本研究确定了PLK1通过UHRF1-DNMT1通路在维持DNA甲基化中的关键作用。PLK1通过促进UHRF1磷酸化以招募去泛素化酶USP7并维持其蛋白稳定性。抑制PLK1激酶活性显著降低了UHRF1和USP7的蛋白相互作用，从而加速了UHRF1蛋白通过泛素-蛋白酶体途径的降解。UHRF1蛋白降解减少了DNMT1在染色质中的募集，降低了基因组整体DNA甲基化水平，提高了TSG的基因表达，从而抑制细胞增殖，诱导细胞衰老。本研究结果提示PLK1抑制剂与DNMT1抑制剂的联合可能对未来的癌症治疗产生显著的协同作用。

参考文献：

1. Liu, J and Maller, JL, (2005) Xenopus Polo-like kinase Plx1: a multifunctional mitotic kinase. Oncogene 24: 238-47.

2. Song, B, Liu, XS, Davis, K and Liu, X, (2011) Plk1 phosphorylation of Orc2 promotes DNA replication under conditions of stress. Mol Cell Biol 31: 4844-56.

3. Sharif, J, Muto, M, Takebayashi, S, Suetake, I, Iwamatsu, A and Endo, TA et al., (2007) The SRA protein Np95 mediates epigenetic inheritance by recruiting Dnmt1 to methylated DNA. Nature 450: 908-12.

4. Bostick, M, Kim, JK, Esteve, PO, Clark, A, Pradhan, S and Jacobsen, SE, (2007) UHRF1 plays a role in maintaining DNA methylation in mammalian cells. Science 317: 1760-4.

5. Kong, X, Chen, J, Xie, W, Brown, SM, Cai, Y and Wu, K et al., (2019) Defining UHRF1 Domains that Support Maintenance of Human Colon Cancer DNA Methylation and Oncogenic Properties. Cancer Cell 35: 633-648.e7.

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。（转化医学网360zhyx.com）