癌症中的 ISG15：超越泛素样蛋白

强调 •ISG15 和 ISGylation 作为蛋白质稳态的关键调节剂发挥作用。 •ISG15 和 ISGylation 调节蛋白质错误折叠疾病，包括癌症和免疫疾病。 •ISG15 的失调及其结合与癌症的发病机制密切相关。 •ISG15 和 ISGylation 与多种癌症疗法相关，包括化学疗法和放射疗法。 •ISG15 可能是治疗干预的药物靶标。

ISG15

• 基本介绍
  • ISG15是干扰素(IFN) 刺激基因 15 的产物，是第一个被鉴定的泛素样蛋白 (Ubl)。ISG15 和 ISG15 结合（ISGylation）的功能仅限于高等真核生物，并且随着 IFN 信号传导而进化。
    • 泛素样蛋白 (Ubl) 称为泛素样蛋白 (Ubl)，包括ISG15、SUMO、NEDD8 、FAT10、UFM1、URM1、ATG8和ATG12已发现它们在结构上和进化上都与泛素相关
      • 这些 Ubl 与靶蛋白或脂质的结合是通过 E1 激活酶、E2 结合酶和 E3 连接酶催化的三个酶级联活动实现的. 此外，这些修饰可以被特定的异肽酶逆转。Ubls 的 PTM 在调节各种细胞活动中具有关键作用
  • ISG15和催化ISG15结合的酶(isgylcation)由I型和III型ifn、病毒和细菌感染、脂多糖(LPS)、维甲酸或遗传毒性应激诱导性因子诱导，表明isgylcation是一个严格调控的过程。
    • ISG15 和 ISGylation 涉及各种关键的细胞过程，包括蛋白质翻译、自噬、外泌体分泌、DNA 修复和免疫调节，这强调了重新评估 ISG15 和 ISGylation 的必要性。
  • ISG15 也以未结合的细胞内或细胞外形式存在。尽管游离 ISG15 的作用尚未完全了解，但已提出细胞外未结合的 ISG15 作为细胞因子来调节免疫反应
    • ISG15 分泌的机制尚未得到很好的表征。ISG15 不通过经典蛋白质转运途径分泌，因为 ISG15 缺乏分泌信号肽
      • 细胞外 ISG15 已被证明可直接与细胞表面受体淋巴细胞功能相关抗原 1 (LFA1)结合，从而导致SRC 家族激酶(SFK) 的激活以及 IFNγ 和白细胞介素 10 (IL-10) 的释放
    • 已证明游离细胞内 ISG15 与细胞内蛋白质非共价结合，从而调节其相互作用伙伴的功能。结果表明，ISG15 与NEDD4 泛素连接酶相互作用并破坏其连接酶活性，从而导致随后的 VP40 泛素化减弱，表明游离细胞内 ISG15 通过阻断宿主 NEDD4 的 E3 连接酶活性而发挥抗病毒活性
  • ISG15 及其结合
    • ISG15 主要作为 17-kDa 无活性前体存在。前体被蛋白水解加工成其成熟的 15-kDa 形式，以暴露羧基末端 LRLRGG 基序，该基序是在去除 ISG15 C 末端的八个氨基酸后产生的，并且是其与靶蛋白结合所必需的
    • 目标蛋白的 ISGylation 涉及酶的三步级联
      • 使用 ATP 通过在 E1 激活酶 UBE1L (UBA7) 和 ISG15 的 C 末端甘氨酸残基之间形成硫酯键来激活 ISG15 UBA7一种特定的 ISG15 激活 E1 酶
        • ISG15 被转移到 E2 结合酶 UbcH8 (UBE2L6) 上的活性位点半胱氨酸残基
          • 最后，ISG15 从 E2 结合酶转移到 E3连接酶，涉及HHARI、TRIM25、HERC5催化目标蛋白的 ISGylation。（虽然 HHARI 和 Efp 是靶蛋白特异性 E3 连接酶，但 HERC5 对靶蛋白表现出广泛性和非特异性）
            • USP18 通过切割通过异肽键与底物蛋白结合的 ISG15 来逆转 ISGylation 过程
              • Skp2促进泛素化USP18 的降解和随后的蛋白酶体降解，表明 SCF Skp2通过控制 USP18 的稳定性参与 I 型IFN信号的调节。已经证明 USP18 对 I 型IFN信号的负调节完全独立于其催化活性
              • USP18 特异性结合I 型 IFN受体亚基IFNAR2 ，并通过阻断 JAK 与 IFN 受体之间的相互作用来抑制受体相关 JAK1 的活性。此外，USP18 已被证明在信号转导和转录激活因子 2中被招募到 IFNAR2(STAT2) 依赖的方式，干扰 IFN 信号
  • ISG15 耗尽的小鼠细胞具有正常水平的 USP18 [ 171]，而 ISG15 缺陷的人类表现出 USP18 的降解增加，导致 IFN 反应的放大
• ISG15 和 ISGylation 作为蛋白质稳态的关键调节剂发挥作用。
  • ISG15 已开始作为维持蛋白质稳态的关键调节因子出现
    • E3 连接酶 HERC5 与多核糖体结合并以共翻译方式介导新合成蛋白质的 ISGylation，从而限制新合成的新生蛋白质池，包括病毒蛋白质。此外，ISGylated 4EHP 对 m 7 GTP的亲和力高于其未修饰形式，从而抑制特定 mRNA 的翻译
    • ISG15 和 ISGylation 通过与泛素竞争靶蛋白上的泛素结合位点、形成 ISG15-泛素混合链或调节参与泛素化的酶的活性来正向或负向调节 UPS。
    • 游离 ISG15 与 p62（也称为 SQSTM1 和HDAC6）结合，并增强 p62 介导的聚集体形成及其在细胞应激条件下的自噬降解。ISG15 还与LRRC25、p62 和 RIG-I结合，随后介导自噬介导的 RIG-I 降解，这对于下调 I 型 IFN 信号传导至关重要。
  • 蛋白质翻译中的 ISG15 和 ISGylation
  • 泛素蛋白酶体系统 (UPS) 中的 ISG15 和 ISGylation
    • 蛋白酶体抑制剂可调节细胞 ISG 化蛋白的水平 。ISGylation 的上调会损害蛋白酶体介导的蛋白质降解，这可能导致共济失调性毛细血管扩张症 (AT) 患者进行性神经变性，这表明 ISGylation 会影响泛素化蛋白质的转换
    • 干扰素调节因子 3 (IRF3)的 ISG 化会干扰其泛素化和随后的降解
    • ISG15 与泛素竞争靶蛋白上的泛素结合位点，从而调节蛋白质降解
    • ISG15 可抑制泛素结合机制中酶的活性。ISG15 特异性结合NEDD4并阻断其与 Ub-E2 分子的相互作用，从而阻止泛素从 E2 进一步转移到 E3
    • I 型干扰素诱导的泛素 E3 连接酶（hsp70 相互作用蛋白 (CHIP) 的羧基末端）的 ISG 化会加速其酶活性，导致致癌性 c-Myc 水平降低，其中一种CHIP 的许多泛素化靶标以及随后对肿瘤生长的抑制
• ISG15 和 ISGylation 调节蛋白质错误折叠疾病，包括癌症和免疫疾病。
  • 自噬中的 ISG15 和 ISGylation
    • ISG15 已开始成为控制自噬的关键调节剂
      • ISG15 增强 p62 介导的聚集体形成及其在细胞应激条件下的自噬降解，表明 ISG15 在细胞应激过程中的重要作用细胞防御
      • ISG15 定位于含有 p62 和组蛋白去乙酰化酶6 ( HDAC6 )的胞质包涵体中，HDAC6 将错误折叠的蛋白质募集到动力蛋白马达，以便将其运输到聚集体并促进自噬体-溶酶体融合
      • ISG15 过表达，aggrephagy（一种选择性自噬清除蛋白聚集体）已被证明是显着的
      • 自噬在 ISG15 缺陷型巨噬细胞中受到抑制，导致受损和功能障碍线粒体的清除中断
        • IFN 处理后， Isg15 +/+骨髓源性巨噬细胞 (BMDM ) 的线粒体呼吸和随后产生的三磷酸腺苷 (ATP) 和活性氧 (ROS) 高于Isg15 -/- BMDM，表明 ISG15- 的参与控制线粒体动力学的依赖机制包括线粒体自噬，功能失调的线粒体通过自噬降解的细胞过程。
• ISG15 的失调及其结合与癌症的发病机制密切相关。
  • ISG15 已成为多种细胞过程中的关键调节因子，包括增殖、细胞凋亡和 DNA 修复。
  • ISG15 结合/去结合机制和肿瘤发生
    • UBE1L mRNA的表达在肺癌中下调，其过度表达通过抑制细胞周期进程所需的细胞周期蛋白 D1来减弱肺癌的生长
    • 在小鼠和人类肺癌细胞系中，USP18 的缺失与抑癌基因、蛋白磷酸酶和张力蛋白同系物 (PTEN) 的不稳定有关
  • 缺氧诱导因子 1α (HIF-1α) 的 ISG 化会破坏其二聚化，从而导致 HIF-1α 介导的基因表达减弱和随后的致瘤性生长
  • p53 和 ARF 共失活的人类 TNBC 肿瘤样本表现出STAT1的高表达和 ISG15，提高了 I 型 IFN-STAT1-ISG15 信号轴的致癌作用的可能性
  • 内皮脂肪酶(LIPG) 通过调节 deltex (DTX)-3 样泛素 E3 连接酶 (DTX3L/BBAP)-ISG15 信号通路促进 TNBC 的肿瘤发生，后者通过 ISGylation 调节蛋白质功能和稳定性
  • 在乳腺癌细胞中，Ki-Ras诱导的ISG15和isgyl化抑制Ki-Ras的降解，从而促进细胞增殖，细胞迁移和上皮-间充质转化(EMT)。
    • 通过溶酶体抑制其降解来稳定 Ki-Ras在乳腺癌细胞中，表明 ISG15 通路是致癌 Ki-Ras 的关键下游介质
      • ISG15 破坏了乳腺癌细胞的细胞骨架结构和粘着斑的形成，表明其在 EMT、细胞运动、侵袭和转移中的作用
  • 癌细胞产生的 I 型干扰素诱导肿瘤相关巨噬细胞中 ISG15 的上调。肿瘤相关巨噬细胞分泌的 ISG15 促进肿瘤进展并抑制适应性免疫
  • ISG15 和参与 ISG 化的酶在肝细胞癌 (HCC) 中上调
    • 通过阻断存活蛋白与 X 连锁凋亡抑制蛋白 (XIAP)之间的相互作用来稳定细胞凋亡抑制剂存活蛋白，也称为 BIRC5，从而促进 HCC 的增殖和迁移，XIAP 是负责降解的泛素 E3 连接酶幸存者
  • ISGylation 显示负向调节 UPS，从而增加 IFN 诱导的活性氧 (ROS) 的产生，从而促进 LPS 诱导的p38 MAP 激酶活化以及巨噬细胞中炎症相关细胞因子的表达增加，进一步表明靶向 ISGylation 在治疗结直肠癌方面具有治疗潜力
  • 免疫细胞是 I 型干扰素的来源和在癌细胞中强烈诱导 ISG15 的触发信号
    • USP18 参与抗肿瘤免疫。USP18 的缺失显示通过上调 IFNγ 促进肿瘤抑制微环境，从而导致乳腺上皮细胞中CD4 + T 细胞的募集
      • USP18 缺陷型乳腺上皮细胞分泌的 T 细胞趋化因子Cxcl10升高驱动的，这会导致 Th1 亚型 CD4 +的募集 T 细胞
        • ISG15 的表达与 IFN 的诱导和免疫细胞的激活有关，这两者都是癌症免疫原性的重要介质。ISG15 由 M2 巨噬细胞或激活的巨噬细胞分泌，已知它们可促进肿瘤发生并抑制适应性免疫。在多种瘤中似乎ISG15高表会引发偏向肿瘤抑制性微环境
• ISG15 和 ISGylation 与多种癌症疗法相关，包括化学疗法和放射疗法。
  • ISG15 下调在多种治疗方法中与好的预后有关； 在乳腺癌中的上调显示与不利的预后以及对化学疗法和放射疗法的不良反应相关； ISG15 的上调与胰腺癌细胞中的吉西他滨耐药性相关；
  • ISG15 被确定为干扰素相关 DNA 损伤抗性特征 (IRDS) 的产物
    • IRDS 已被定性为辐射和化疗耐药性的基因特征，这是通过对耐辐射肿瘤的体内选择发现的
      • IRDS 基因产物如 STAT1、ISG15 和IFIT1介导耐药性
    • ISG15 作为 IRDS 基因产物之一，涉及 STAT1、OAS1和MX1 ，被证明可驱动化疗和放疗抗性乳腺癌细胞在涉及基质和乳腺癌细胞之间旁分泌和近分泌通讯的过程中的作用
• ISG15 可能是治疗干预的药物靶标。