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分子细胞生物学。2003年11月;23(22): 8070–8083.
预防性维修识别码:PMC262380型
PMID:14585967

IκB激酶独立的IκB-α降解途径:功能性NF-κB活性及其在癌症治疗中的意义

摘要

肿瘤中NF-κB的抗凋亡活性有助于获得化疗耐药性。IκB的降解是NF-κB活化的重要步骤。IκB激酶IKK1和IKK2参与了IκB的降解和NFκB的后续修饰。使用不含IKK1和IKK2基因(IKK1/2)的小鼠胚胎成纤维细胞−/−),我们记录了一种新的IκB降解机制。我们发现,这种由化疗剂阿霉素(DoxR)诱导的降解不需要经典的丝氨酸32和36磷酸化或IκBα的PEST结构域。IκBα的降解部分被磷脂酰肌醇3-激酶抑制剂LY294002阻断,并由蛋白酶体介导。DoxR诱导IKK1/2中IκB降解产生的游离NF-κB−/−细胞能够激活基于染色质的NF-κB报告基因和内源性靶基因IκBα的表达。这些结果还表明,至少在对DNA损伤作出反应时,通过IKK1或IKK2在其从IκB释放之前或之后对NF-κB介导的基因表达进行修饰并不是必需的。此外,DoxR诱导IKK1/2细胞死亡−/−通过阻断蛋白酶体活性,同时抑制NF-κB激活,MEF得到增强。这些结果揭示了在抗癌治疗过程中激活NF-κB的额外途径,并为蛋白酶体抑制剂可作为化疗佐剂的观察提供了机制基础。

转录因子NF-κB在先天性和适应性免疫反应中发挥作用(19). NF-κB通路的去调节活性也被观察到,并与一些人类恶性肿瘤的进展相关(27). 越来越清楚的是,NF-κB可以调节细胞生长和死亡的多个方面(10). 了解NF-κB活性的调节可能有助于深入了解癌症的进展和治疗。

NF-κB是由两个相似或异源亚单位组成的二聚体,主要存在于与抑制分子IκB家族复合的细胞质中(37). 刺激引起的IκB蛋白降解是NF-κB活化的必要步骤(14). 这种降解是由蛋白酶体介导的,需要IκB分子在特定的丝氨酸残基上磷酸化(4). 因此,广泛研究了IκB激酶(IKK)、IKK1(也称为IKKα)和IKK2(也称为IKβ)的作用,它们诱导IκB分子的信号依赖性磷酸化和降解。含有IKK1和IKK2的细胞质>700-kDa复合物接收和传递导致IκBα降解和NF-κB DNA结合的各种刺激。除了两种IKK酶,IKK复合物被认为由其他已知和未知的蛋白质组成,这些蛋白质可能具有调节或伴侣样功能(5,39). IKK1和IKK2纯合缺失的小鼠在胚胎第9.5天死亡(18). IKK1/2衍生的小鼠胚胎成纤维细胞−/−双敲除胚胎在IκB降解和NF-κB活化方面存在严重缺陷,这是对模式识别受体识别的细胞因子和细菌产物等“经典”刺激的反应(19). 这些结果强调了IKK1和IKK2对IκB降解和NF-κB活化是绝对必要的(18).

NF-κB激活的速率限制步骤被认为是其从抑制剂IκB分子中释放出来,抑制剂Iκ的分子将NF-κ的B保留在细胞质中,并进一步抑制其DNA结合能力。在许多人类肿瘤中,缺陷的IκBα活性与持续的核NF-κB有关(27). 然而,NF-κB从IκB释放后的其他基因修饰现在被认为是在靶基因转录的背景下产生功能性NF-κ的必要条件。这些变化主要由选择性磷酸化启动,增加了其与p300/CBP以及染色质重塑因子的相互作用。一些激酶,包括GSK3、NIK、CKII、PKA、PKCζ、TBK/t2k/NAK和IKK本身,被认为是NF-κB从IκBα中释放后修饰NFκB所必需的(10). 由于IκBα降解和NF-κB修饰都需要相同的IKK催化活性,因此很难分析IKK在IκB释放NF-κB后的过程中的作用。

在本研究中,使用IKK1/2−/−MEFs,我们破译了一种新的IκBα降解机制,以响应抗癌药物阿霉素(DoxR),独立于IKK1和IKK2。此外,IKK1/2的治疗−/−带有DoxR的MEF导致NF-κB转录活性,更重要的是,这种活性与保护这些MEF免受凋亡相关。我们的结果表明,某些非经典刺激可以在长期治疗后激活NF-κB,并且这种“潜行”的NFκB活性可能在长期化疗过程中具有临床意义。

材料和方法

细胞培养和试剂。

自发性永生化MEF在补充有10%胎牛血清(HyClone)、100μg/ml青霉素、100μg链霉素/ml和250 ng两性霉素B(Gibco)/ml的Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM)中培养。多索柔比星从Sigma购买,以10 mg/ml的浓度溶解在MilliQ水中作为储备。N个-乙酰--丙氨酸(NAA)和N个-乙酰基--半胱氨酸(NAC)来自Sigma,溶解在培养基中并将pH值调整为7后,在10 mM下使用。乳酸胱氨酸和胱天蛋白酶抑制剂套装II试剂盒(目录号218772)从Calbiochem获得。

抗体。

抗IKK1、IKK2、p65、IκBα(C-21和C-15)、I k Bβ、NEMO、p50、p52、Bax和p21的抗体均来自圣克鲁斯生物技术公司。用Calbiochem的抗体(OPO3)检测p53蛋白。使用抗β-肌动蛋白抗体(Sigma)检测肌动蛋白水平,作为所有实验的负荷对照。使用来自Sigma的Flag-M2单克隆抗体检测标记的IKK2。用抗HA抗体(12CA5)检测血凝素标记的IKK1WT和IKK1KM蛋白。所有磷化特异性抗体均来自Zymed实验室。

免疫印迹和免疫沉淀。

通常,细胞在六孔培养皿中培养,汇合细胞用DoxR处理指定时间,用磷酸盐缓冲液(PBS)洗涤,并在放射免疫沉淀分析缓冲液中收获。制备全细胞提取物,并在吗啉丙基磺酸(MOPS)缓冲液中用双三烷基硫酸钠凝胶(4-12%)拆分裂解产物。电泳后,蛋白质被转移到聚偏二氟乙烯膜(Immobilon P;Millipore)上,在PBS中被封闭,不含Mg2+和钙2+但含有0.2%吐温20和5%脱脂牛奶,并在不含镁的PBS中用指示抗体进行检测2+和钙2+但含有0.2%吐温20和1%牛奶。为了检测磷酸化IκBα,在3%牛血清白蛋白中封闭并探测膜。

对于免疫沉淀,在含有50 mM Tris-HCl(pH 8)、170 mM NaCl、0.5%Nonide P-40和补充有完整蛋白酶抑制剂(Roche)的50 mM NaF的缓冲液中在4°C下制备总细胞裂解物。在用蛋白G-Sepharose(Amersham Biosciences)孵育裂解产物1 h后进行免疫沉淀。将预先清除的上清液与一级抗体以及蛋白G-Sepharose珠在4°C下培养过夜。最后,使用含有10 mM Tris-HCl(pH 8)、250 mM NaCl、5 mM EDTA、0.5%Nonide P-40和完整蛋白酶抑制剂的洗涤缓冲液将这些上清液洗涤四次。

电泳迁移率变化分析。

在Totex裂解缓冲液(20mM HEPES[pH 7.9]、350mM NaCl、20%甘油、1%Nonidet P-40、1mM MgCl)中制备总细胞提取物2、0.5 mM EDTA、0.1 mM EGTA、1 mM二硫苏糖醇、1 mM-苯甲基磺酰氟、10μg/ml抑肽酶)。15000×离心上清液收集15min用于迁移率变化分析。NF-κB和Oct-1探针如前所述(36). 末端标记探针(T4激酶)与Totex提取物在37°C下孵育30分钟。配合物在5%非变性聚丙烯酰胺凝胶上用0.5×三硼酸盐-EDTA电泳分离。对干燥的凝胶进行磷光成像仪分析。

细胞存活分析。

细胞通常放置在六孔培养皿中。用DoxR或lactacystin处理融合细胞。用台盼蓝染色法计算贴壁细胞和脱落细胞的存活率。

代谢标记。

IKK1/2的次级流入板10-cm−/−MEF在温暖的PBS中清洗两次,并在补充有10%透析胎牛血清的无半胱氨酸和无蛋氨酸DMEM中饥饿6小时。使用0.5 mCi的[35S] 每毫升蛋氨酸(NEN Life Science Products,Inc.)。然后用PBS清洗细胞,并在完全培养基中追踪给定时间点,包括或不包括DoxR。在每个时间点之后,用冰镇PBS清洗细胞两次,并将细胞颗粒冷冻在干冰上以备后期操作。将细胞颗粒在冰上解冻,并通过添加500μl含有蛋白酶抑制剂(罗氏公司)的裂解缓冲液(20mM Tris[pH 8.0]、100mM NaCl、0.2%脱氧胆酸钠、0.2%Nonidet P-40、0.2%Triton X-100)进行全细胞裂解。用蛋白G-Sepharose在4°C下预处理裂解液1 h,然后用IκBα(C-21)抗体和蛋白G-Separose在4°C下孵育过夜。将免疫沉淀颗粒洗涤三次并在SDS加载缓冲液中煮沸10 min,将洗脱的蛋白质在吗啉乙磺酸(MES)缓冲液(Invitrogen)中的4~12%双三凝胶上分离。

RNA提取和反转录。

刺激后,收集细胞并使用TriPure试剂(Boehringer Mannheim)分离总RNA。在260 nm处通过分析定量RNA。用RT Superscript II(Invitrogen/Life Technologies)和4μg总RNA和寡核苷酸(dT)(Invit罗gen/Lify Technologies。

实时PCR分析。

用以下引物进行PCR扩增:IκBα阳性(5′-CGC-TTG-GAC-GAT-CG-3′)和反义(5′-TTG-CTC GTA-CTC-GTC-3′)。用以下引物扩增肌动蛋白基因作为对照:正义(5′-TTC-GTT-GCT-CCA CA-3′)和反义(5′-ACC-AGCA-GCG-ATA-TCG-3′)。PCR是通过使用ABI Prism 7700序列检测系统和SYBRGreen PCR主混合(英国沃灵顿应用生物系统公司)进行的。

逆转录病毒的产生和稳定的细胞选择。

用5μg水疱性口炎病毒g蛋白表达载体和1μg绿色荧光蛋白(GFP)表达质粒将总共20μg的载体质粒转染到细胞系293 gp/bsr中(N.Somia和I.M.Verma,未发表数据)。48和72小时后回收含有病毒的上清液,通过0.45μm孔径的过滤器过滤,并连续3至6天用于感染MEF。

腺病毒的产生和感染。

用携带巨细胞病毒即刻增强因子、鸡β肌动蛋白启动子和兔β珠蛋白多聚体(A)信号的重组腺病毒(rAD)表达盒表达GFP、IKK1WT、IK1KM、IKK2WT和IKK2KM蛋白。病毒由293个细胞中的同源重组产生(20). rAD载体在宿主细胞中不整合和复制。因此,为了保持感染多重性(MOI)恒定,只使用新鲜融合细胞进行感染。

慢病毒载体的产生和IKK1/2−/−报告细胞系。

LV-GFP和LV-GFP-p65构建物源自p156RRLsinPPTPGK-eGFP-PRE载体,其中转基因由小鼠PGK启动子驱动。慢病毒的生产是根据标准协议进行的(12). 生成IKK1/2−/−报告细胞系IKK1/2−/−MEF感染pLV-κBluc或pLV-Mut-κBluc,慢病毒载体分别含有五个野生型(GGGACTTTCC)或突变型(AGAACTCA)NF-κB结合位点,以及一个与荧光素酶报告基因相连的最小启动子。所述分析中使用了感染细胞池。

结果

IκBα在缺乏IKK的MEFs中的降解。

我们评估了抗癌药物DoxR对IKK1/2中IκBα降解的影响−/−MEF公司。在用不同剂量的DoxR滴定24小时后,我们观察到IκBα的降解(图。(图1A)。1安培). Western blot分析显示Nemo(IKKγ)、p65或肌动蛋白的表达没有变化。正如预期的那样,没有检测到IKK1或IKK2蛋白。根据IκBα的密度定量和肌动蛋白带强度(图。(图1B)。1B年). IKK1/2的处理−/−带有NF-κB活性经典短期诱导物(如肿瘤坏死因子α(TNF-α)或脂多糖(LPS))的MEF不会导致IκBα降解(图。(图1C,1摄氏度,车道1至9)。

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DoxR诱导IKK1/2中IκBα降解−/−MEF公司。(A) IKK1/2型−/−MEF被镀在六孔板中,并允许到达汇流处。用指定剂量的DoxR处理细胞,24小时后进行Western blot。(B) 利用NIH图像软件进行IκBα降解的密度定量。IκBα与肌动蛋白的比值已绘制在轴。(C) 用TNF-α或LPS处理生长在六孔培养皿中的融合细胞,处理时间为指定的时间。制备全细胞裂解物,并用所示抗体进行Western blot分析。

进一步表征DoxR诱导的IKK1/2中的IκBα降解−/−MEF,我们进行了时间课程。与由TNF-α和LPS等刺激物诱导的经典IκBα降解不同,DoxR诱导的降解在数小时内发生(图。(图2A)。2安培). 用p65、p100、p105和TRAF1抗体进行的Western blot分析进一步证实了在我们的分析中观察到的IκBα降解的特异性。除了星号表示的五种非特异性蛋白质的水平外,其他非相关蛋白质的水平,包括p300和微管蛋白(数据未显示),在DoxR治疗后没有变化。使用NIH Image 1.6软件对IκBα随时间的降解进行密度定量,发现IκB/actin和IκB-α/p65的比率相似(数据未显示)。为了更好地判断DoxR对IκBα降解的影响,我们还进行了有无DoxR的脉冲相实验(图。(图2B)。2B型). 在16小时内,DoxR治疗明显降低了IκBα的水平(图。(图2B,2B型,车道1至4)。实时PCR分析(见图。图7E)第七版)提示IκBα蛋白水平的降低是由于其降解,而不是由于其mRNA转录或非特异性蛋白转换的减少。我们的结论是,长期使用拓扑异构酶毒物(如DoxR)治疗可诱导IκBα蛋白降解,而IκB激酶活性无关。

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DoxR诱导IKK1/2中IκBα降解的时间过程−/−MEF公司。(A) 合流IKK1/2−/−MEF用0.7μg DoxR/ml处理指定时间(小时),并用指定抗体进行Western blot。非特异性蛋白质(NS)的水平用星号表示。(B) DoxR缺乏或存在时IκBα水平的脉冲相分析。IKK1/2型−/−MEF挨饿,随后贴上标签35S蛋白标记混合物(NEN)。在指定的持续时间内,使用或不使用0.7μg DoxR/ml的Chase。非特异性(NS)蛋白质的水平显示为负荷控制。

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NF-κB活性对DoxR的反应。(A) IKK1/2型−/−使用指定剂量的DoxR治疗MEF 12 h,并使用NF-κB共识寡核苷酸(左面板)或Oct-1寡核苷酸(中面板)分析凝胶转移活性。使用p50、p65和p52抗体对来自用0.7μg DoxR/ml处理过的细胞的提取物进行超移分析(右侧面板)。(B) 构建LV-κ-Bluc和LV-Mut-κ-Bluc载体。κB结合位点的位置以及TATA盒都已显示。(C) IKK1/2型−/−用LV-κBLuc转导MEF,并用DoxR(0.3μg/ml)、TNF-α(10 ng/ml)和LPS(30 ng/ml)处理这些细胞池18 h。荧光素酶活性在96周平板阅读器中进行评估。(D) IKK1/2型−/−MEF用LV-κBLuc或LV-Mut-κBLuc载体转导,这些细胞池用DoxR处理18小时,然后测量荧光素酶活性。(E) IκBα的实时PCR分析。IKK1/2型−/−用指定剂量的DoxR处理MEF,并通过实时PCR分析测定IκBα和肌动蛋白信息的水平。对IκBα水平与肌动蛋白水平的比值进行了量化,并在轴。

DoxR诱导的IκBα降解不需要丝氨酸32/36磷酸化或PEST结构域。

进一步表征DoxR诱导的IKK1/2中的IκBα降解−/−MEFs,我们评估了IκBα在32/36/283/288/291/293/296位置的诱导性和组成性磷酸化的作用,它们在其降解中起作用(25). 我们测试了IκBαM(36)DoxR降解IκBα分子,其中上述位置的所有丝氨酸和苏氨酸残基都转化为丙氨酸。IKK1/2型−/−用逆转录病毒构建物pLXSH或pLXSH-IκBαM转导MEF以产生稳定的细胞系(IKK1/2−/−Hygro和IKK1/2−/−IκBαM)。由于内源性IκBα和突变型IκBαμ在大小上没有差异,我们通过rAD-IKKWT过度表达IKK2WT诱导内源性I k Bα降解。rAD-IKK2WT的单独转导导致内源性IκBα的降解(图。(图3A,3A级,车道3),但不属于IκBαM(图。(图3A,3A级,车道9)。作为对照,细胞感染rAD-IKK2KM(激酶非活性IKK2)或rAD-GFP(表达GFP的病毒)。DoxR诱导的内源性IκBα降解治疗(比较通道1和2或通道5和6;顶部IκAα面板)。由于通道9和10中的所有IκBα都是IκB-αM,很明显DoxR也诱导了Iκ-BαM的降解(比较通道9和通道10;见低暴露面板)。这些结果表明,丝氨酸32和36的磷酸化对DoxR诱导的IκBα降解不是必需的。此外,DoxR诱导的IκBαC末端PEST结构域残基降解也不需要磷酸化。IKK1/2中表达的标记IK2WT水平−/−Hygro和IKK1/2−/−IκBαM细胞具有可比性(数据未显示)。

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DoxR引起的IκBα降解不需要丝氨酸32和36以及PEST结构域中的磷酸化。(A) IKK1/2型−/−MEF感染pLXSH或pLXSH-IκBαM逆转录病毒,并使用潮霉素进行稳定筛选。IKK1/2混合种群−/−Hygro(1-6车道)和IKK1/2−/−IκBαM细胞(7至12道)感染rAD,表达GFP(rAD-GFP)、IK2WT(rAD-IKK2WT)或IK2KM(rAD-IKK2m)。感染后48小时,细胞未经处理或用0.4μg DoxR/ml处理。分别用Flag M2和IκBα(C21)抗体测定IKK2和Iκ)Bα蛋白的表达。肌动蛋白水平用于蛋白质负荷的正常化。(B) IκBα−/−MEF感染了表达IκBα,IκBαM的显性负性形式的逆转录病毒。如前所述,生成稳定的细胞池,并将其置于六孔培养皿中。用0.5和0.7μg DoxR/ml处理融合细胞24 h。用C21抗体探测裂解液以检测IκBαM。

我们还重组了IκBα−/−使用逆转录病毒的IκBαM MEF。DoxR治疗后,IκBαM降解(图。(图3B,3B公司,车道2和3)。这些结果进一步支持了DoxR诱导的IκBα降解不需要丝氨酸32和36的诱导磷酸化或IκBα的C末端磷酸化位点的观点。

为了进一步评估IκBαC末端PEST结构域的作用,我们转导了IKK1/2−/−带有逆转录病毒的MEF表达IκBα、IκBαΔ39的C末端截断突变,该突变删除了PEST结构域。令人惊讶的是,PEST结构域的去除增强了IκBα的降解(图。(图4A,4A级,车道1至3)。然而,IκBαΔ39的降解动力学(图。(图4B,4B类,泳道1至6)和野生型IκBα(图。(图2A,2安培,车道1至12)相似。IκBαΔ39突变体在IκB-α中的重组证实了其有效降解的能力−/−MEF(图。(图4C;4摄氏度; 车道2至4)。

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DoxR引起的IκBα降解不需要PEST结构域。(A) IKK1/2型−/−MEF被表达IκBαΔ39的逆转录病毒感染,该逆转录病毒缺乏IκB-α的最后39个氨基酸。用潮霉素选择细胞,用指定剂量的DoxR处理混合细胞池24小时,并通过用IκBαC15抗体探测来评估IκBα的降解。(B) IKK1/2中IκBαΔ39降解的时间进程−/−MEF公司。用0.5μg DoxR/ml处理融合细胞,持续时间为小时,并用IκBαC15抗体进行IκAαΔ39的Western blot分析。(C) IκBα−/−MEF感染了表达GFP(作为对照)或表达IκBαΔ39的逆转录病毒。如前所述,生成稳定的细胞池,并将其置于六孔培养皿中。将融合细胞用0.5和0.7μg DoxR/ml处理24 h。用C15抗体探测裂解液以检测IκBαΔ39。

DoxR对IκBα的降解对活性氧(ROS)不敏感,不受p53介导。

为了更好地理解IKK非依赖性IκBα降解的分子机制,我们评估了ROS的作用,ROS被DNA损伤激活,并与NF-κB通路的调节有关(9). Western blot分析表明,ROS清除剂NAC不抑制DoxR对IκBα的降解(图。(图5A,5A级,比较车道4和6)或其非硫醇对应物NAA(图。(图5A,5A级,比较车道4和5)。与IκBα一样,DoxR对IκB-β的降解也未被NAC阻断(图。(图5A5A级).

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DoxR对IκBα的降解不通过ROS、p53或半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶介导。(A) 合流IKK1/2−/−如图所示,用0.7μg DoxR/ml和10mM NAA或NAC处理MEFs。24小时后,对细胞进行裂解,并进行蛋白质印迹。(B) IKK1/2型−/−MEF在六孔培养皿中培养,并在含有5%胎牛血清和抗生素的300μl DMEM中感染增加的rAD-p53或rAD-GFP的MOI。每10分钟摇晃一次平板,让感染继续进行2小时,然后用培养基补充细胞,但不清除病毒。在37°C下与新鲜培养基孵育过夜后,更换该培养基。在感染后48至60小时内,通过Western blot分析对细胞进行裂解和分析。(C) IKK1/2−/−如图所示,MEF单独使用DoxR或与各种caspase抑制剂联合治疗24小时,然后通过Western blotting进行分析。行:Casp 1、caspase-1抑制剂VI、Z-YVAD-FMK;Casp-2、caspase-2抑制剂I、Z-VDVAD-FMK;casp3,caspase-3抑制剂II,Z-DEVD-FMK;Casp 5,caspase-5抑制剂I,Z-WEHD-FMK;Casp 6,caspase-6抑制剂I,Z-VEID-FMK;Casp 8,caspase-8抑制剂II,Z-IETD-FMK;Casp 9,caspase-9抑制剂I,Z-LEHD-FMK。所有这些都是各种半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的细胞可渗透、不可逆的半胱氨酸蛋白酶抑制剂,如其数量所示。Caspase抑制剂III(Casp Ihn III),Boc-d日-FMK是一种广谱胱天蛋白酶抑制剂。有关这些抑制剂的更多信息,请参阅钙生物化学信息表。

为了排除IκBα延迟降解可能是DoxR诱导凋亡的结果的可能性,我们评估了p53和caspases在这种降解中的作用。NF-κB和p53在抗肿瘤药物(如DoxR)的作用下同时被激活,有报道称p53在某些细胞类型中诱导NFκB活化(28). 为了确定p53水平的增加是否有助于IκBα降解,我们使用腺病毒(rAD-p53)过度表达p53。p53的表达导致其靶基因p21、Bax和mdm2在WT和IKK1/2中同时上调−/−MEF公司。然而,在我们的实验中,即使p53的过表达也不会导致IκBα降解(图。(图5B,5亿野生型或IKK1/2中的NF-κB DNA结合(数据未显示)−/−MEF公司。类似地,一系列caspase抑制剂无法阻止IκBα在DoxR作用下的降解(图。(图5C,5摄氏度,比较车道1和10)。p65的水平显示为负载控制。综上所述,这些结果表明细胞凋亡增加可能与IKK1/2诱导的IκBα降解无关−/−DoxR的MEF。

LY294002部分阻断了DoxR介导的IκBα降解。

为了更好地理解IKK非依赖性IκBα降解的分子机制,我们评估了磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-激酶)在这一过程中的作用。已知PI3-激酶活性抑制剂LY294002的治疗部分阻断了IκBα在DoxR作用下的降解(图。(图6A,6A级,比较车道2和3)。我们认为,活性为LY294002敏感性的PI3-激酶可能以直接或间接的方式参与IKK非依赖性IκBα的降解。

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其他激酶在DoxR介导的IκBα降解中的作用。(A) IKK1/2型−/−用0.7μg DoxR/ml单独或与LY294002(80μM)联合治疗MEF。24小时后进行蛋白质印迹分析。肌动蛋白和非特异性(NS)蛋白水平用作负荷对照。(B) IKK1/2型−/−用0.7μg DoxR/ml和蛋白酶体抑制剂乳酸菌素(20μM)处理MEF 10 h。对处理和未处理的细胞进行裂解,并免疫沉淀IκBα。免疫沉淀物质与指示的磷酸特异性抗体通过Western blot进行分析。用C21抗体分析总IκBα水平。

除IKK1和IKK2外,其他激酶已被证明在体外磷酸化IκBα。为了测试IκBα的IKK非依赖性磷酸化是否先于其降解,我们评估了DoxR对IκBα的磷酸化反应。IKK1/2型−/−用DoxR和乳酸菌素治疗MEF(见图。图8),8),一种蛋白酶体抑制剂,持续10小时,以在降解前积累任何修饰的IκBα物种。对处理和未处理的细胞进行裂解,并免疫沉淀IκBα。免疫沉淀物质用各种磷酸特异性抗体进行Western blot分析(图。(图6B,6亿,车道1和2)。通过这种方法,我们没有发现IκBα磷酸化状态有任何可检测的变化。需要更灵敏的工具来检测IκBα的修饰,以标记其以独立于IKK的方式降解。

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DoxR诱导的NF-κB活性的功能相关性。(A) DoxR介导的IκBα降解需要蛋白酶体。IKK1/2型−/−MEF用二甲基亚砜、乳酸菌素(20μM)或0.7μg DoxR/ml单独或联合治疗,如图所示。处理24小时后制备裂解物,并按照前面所述进行Western blot分析。(B) IKK1/2型−/−MEF分别用DoxR(0.7μg/ml)、lactacystin(20μM)或这两种药物的联合治疗。24小时后观察细胞。分离的和凋亡的细胞比附着的细胞更难折射。(C) DoxR和lactacystin诱导的细胞死亡定量。用台盼蓝活性测定法测定处理24至30小时后附着和分离细胞的细胞存活率。该图代表了三种独立分析。

DoxR诱导的IκBα降解导致NF-κB依赖性报告基因表达。

接下来我们研究了DoxR对IκBα的降解是否也会导致NF-κB的活化。用一致的NF-κB寡核苷酸探针进行凝胶移位显示IKK1/2治疗−/−带有DoxR的MEF导致NF-κB DNA结合活性增加(图。(图7A,第7章,左侧面板,比较通道1和6)。绑定到Oct-1探针(中间面板)用作加载控制。通过超位移分析对响应DoxR诱导的DNA结合复合物的进一步分析表明,它们由p65和p50亚基组成(图。(图7A,第7章,右侧面板)。为了研究DoxR诱导的IκBα降解是否导致功能性NF-κB转录活性,我们构建了携带荧光素酶报告基因的慢病毒,该慢病毒由五个共有或突变的NFκB结合位点控制(图。(图7B)。第7页). IKK1/2型−/−用LV-κBLuc或LV-Mut-κBLuc转导细胞,获得荧光素酶报告基因的完整拷贝。我们一致发现LV-κBLuc-转导的IKK1/2的治疗−/−DoxR细胞确实导致NF-κB依赖性报告基因活性的增加(图。(图7C)。7摄氏度). 相反,用TNF-α和LPS处理这些细胞时,未显示出可检测到的NF-κB报告基因活性(图。(图7C)。7摄氏度). 此外,LV Mut-κBLuc转导的IKK1/2的治疗−/−带有DoxR的MEF没有导致荧光素酶活性增加(图。(图7D)。7天). 实时PCR分析显示,DoxR治疗确实诱导了IκBα的表达,IκB-α是一个已知的NF-κB靶基因(图。(图7E)。第七版). 因此,我们得出结论,IKK1/2的治疗−/−长时间使用DoxR的MEF确实会产生IKK非依赖性NF-κB转录活性。

DoxR介导的IκBα降解需要蛋白酶体。

为了解释DoxR诱导IκBα降解的机制,我们研究了蛋白酶体的作用,已知蛋白酶体在对典型刺激的响应中对IκBα降解至关重要。DoxR介导的IKK1/2中IκBα的降解−/−在细胞与乳胱氨酸蛋白酶体抑制剂(一种天然的、不可逆的和高度特异的非肽类蛋白酶体抑制剂)孵育后,细胞显著减少(图。(图8A,8安,比较车道3和4)。这种IκBα稳定性的增加并不是由于IκB-α稳态水平的增加,因为单用乳酸菌素治疗细胞并没有引起IKK1/2中IκB/α水平的可检测增加−/−MEF(图。(图8A,8安,比较车道1和2)。

接下来,我们测试了DoxR在IKK1/2中诱导的NF-κB活性的功能相关性−/−MEF公司。通过乳酸菌素治疗阻断NF-κB激活显著增加DoxR诱导的IKK1/2细胞死亡−/−MEF(图。(图8B)。8B类). 细胞死亡的定量如图所示。图8C。8摄氏度我们得出结论,IKK1/2中的IKK1-和IKK2-依赖性NF-κB活性−/−细胞可能有助于防止或减少DoxR引起的细胞凋亡。

免费p65可以保护IKK1/2−/−MEFs对抗TNF-α诱导的细胞死亡。

为了最终证明IKK1和IKK2介导的修饰对p65功能不是必需的,我们测试了IKK1/2中p65的表达−/−MEF可以保护它们免受TNF-α诱导的凋亡。IKK1/2型−/−用LV-GFP或LV-GFP-p65以50的MOI转导MEF,并用不同剂量的TNF-α处理细胞池。与控制装置IKK1/2不同−/−MEF,表达GFP-p65融合蛋白的细胞对TNF诱导的细胞死亡具有显著的保护作用(图。(图9A)。9安). 为了排除导致p65组成性核活性的p65过度表达,我们分析了异位GFP-p65的定位。反褶积显微镜显示,胞外表达的p65主要是细胞质(图。(图9B)。9亿). 我们认为IKK1或IKK2对p65的修饰不是其功能所必需的,这是根据其激活抗凋亡基因和保护TNF-α诱导的凋亡的能力来判断的。

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(A) 在缺乏IKK活性的情况下,游离p65可以防止TNF-α诱导的细胞凋亡。IKK1/2型−/−转导LV-GFP或LV-GFP-p65的MEF在转导48小时后用TNF-α处理。TNF-α处理48小时后,用结晶紫染色细胞以评估细胞存活率。(B) GFP-p65的亚细胞定位。带电IKK1/2−/−用反褶积显微镜在×60倍放大下对LV-GFP或LV-GFP-p65转导的细胞进行成像。(C) 模型基于我们的研究。TNF-α和白细胞介素-1等细胞因子主要利用IKK2,淋巴毒素β(LTβ)和RANK配体(RANKL)利用IKK1激活NF-κB。与这些刺激不同,DoxR可以以IKK1和IKK2依赖的方式激活NF-κB。尽管起源不同,NF-κB激活的所有途径都被蛋白酶体抑制剂阻断。根据本报告中的数据,在TNF-α信号转导(A)或DoxR诱导(图。7C和E)不需要IKK1或IKK2进行进一步修改。

讨论

除了p53状态外,还有其他突变和遗传变异,如Mdm2的扩增(24)和HER-2/neu(43)和INK4a/ARF基因座的突变/缺失(30),是肿瘤对化疗反应的关键调节剂。转录因子NF-κB的去调节活性在几种癌症中经常被观察到(22,33). NF-κB通路影响细胞生长和凋亡的多个方面,并已被证明可以保护细胞免受各种凋亡刺激(1)包括化疗药物(7,8). 因此,了解肿瘤中控制NF-κB的调节机制至关重要。

NF-κB激活的多种模式。

过多的外部信号利用NF-κB在脊椎动物和非脊椎动物细胞中执行其指导功能(31). 因此,只有快速激活NF-κB的刺激才被认为是生理性的。大多数快速反应刺激,如细胞因子,主要通过IKK2激活NF-κB。最近的证据表明,NF-κB活化的IKK1-依赖性、IKK2依赖性途径也存在(26). 这些依赖于IKK1的NF-κB活化途径对淋巴发育和器官发生至关重要(26). 正如预期的那样,来自IKK1/2的MEF−/−小鼠对大多数典型的NF-κB诱导物都不敏感(18). 然而,有可能存在独立于IKK1和IKK2激活NF-κB的刺激物,并且在长期治疗后产生的NFκB活性具有生理相关性。

在本研究中,我们报告了IKK1/2的长期治疗−/−带有DoxR的MEF导致IκBα降解(图。(图1A)1安培)和IκBβ(图。(图5A)。5A级). 令人惊讶的是,DoxR对IκBα的降解不需要丝氨酸32和36磷酸化(图。(图3))或IκBα的PEST结构域(图。(图4)。4). 在我们的试验中观察到的降解不是由ROS介导的(图。(图5A),5A级),p53(图。(图5B),5亿)或半胱天冬酶(图。(图5C)。5摄氏度). 我们进一步表明,在缺乏IKK1或IKK2活性的情况下,IκB的降解是由蛋白酶体介导的(图。(图8A)。8安). 以前已经描述过IKK非依赖性IκBα降解途径(2,17). 尽管这些降解途径(2,17)不需要丝氨酸32和36磷酸化,所描述的降解动力学与我们的分析中观察到的不同。与IKK非依赖性IκBα降解不同,在完全缺乏IKK1或IKK2活性的情况下,游离NF-κB的性质和假定作用以前没有文献报道。我们证明,由DoxR介导的IκB降解产生的游离NF-κB能够激活整合在染色体中的NF-kb B依赖性报告基因(图。(图7C)7摄氏度)并诱导至少一个生理靶基因IκBα的表达(图。(图7E)。第七版). 此外,我们的初步结果表明,在缺乏IKK的情况下,PI3-激酶可能参与IκBα的降解(图。(图6A)。6A级). 基于ATM和ATR激酶在NF-κB活化中的既定作用(16),我们认为PI3-激酶可能作为DoxR介导的DNA损伤的上游传感器,在我们的分析中可能不是直接的IκBα激酶。

p65函数不需要IKK。

IκB对NF-κB的细胞质保留是控制其活性的主要机制(37). IκBα在控制NF-κB活性中的作用通过观察到该分子的不可降解版本(显性-阴性IκB-α突变体)阻断NFκB活化而得到强调(36). 尽管人们普遍认为,仅仅IκB的降解和随后NF-κB释放就足以激活这一重要的信号级联,但有几条证据表明,还涉及其他调节机制。首先,已有文献证明,p65(NF-κB亚单位)的磷酸化增加了其在体外的DNA结合(21,23). 其次,p300/CBP和p/CAF组蛋白乙酰转移酶优先与磷酸化的p65结合(42). 第三,小鼠中NF-κB活化的表型相似性和/或明显缺陷对激酶(如GSK3β)无效(11),Tbk/t2k/NAK(,35)和PKCζ(15)让他们参与进来更有吸引力。此外,PKA催化亚单位(41)和CKII已被证明与NF-κB:IκB复合物直接相关(38). 最后,NF-κB被乙酰化以及乙酰化和去乙酰化控制其亚细胞分布的证明,带来了可能调控该途径的其他因素(6).

有趣的是,IKK被指定在p65/RelA从IκB释放后的修饰中发挥作用(13,29,32). 我们观察到,游离p65可以激活NF-κB依赖的报告基因(图。(图7C),7摄氏度),激活生理靶基因,如IκBα(图。(图7E),第七版),还可以防止TNF-α诱导的细胞凋亡(图。(图9A)9安)在IKK1/2中−/−MEF质疑IKK在修改p65中的作用。可能的是,与它们在经典刺激下IκB降解中的作用不同,这些激酶在NF-κB修饰方面的活性存在冗余。目前尚不清楚所有涉及NF-κB磷酸化的激酶是顺序作用还是同时修饰独立位点。至少PKCζ似乎直接或通过调节IKK来调节NF-κB磷酸化(15). 这些额外机制的作用可能只是微调对特定刺激的反应。Nik就是这个案例的最佳例证−/−老鼠;这些小鼠是活的,从它们身上提取的细胞对除淋巴毒素-β外的所有刺激都会激活NF-κB(40). 或者,这些机制可能需要控制选定细胞类型中NF-κB反应的强度或质量。了解导致IκB降解后产生活性NF-κB分子的事件的时序,将为治疗干预提供更多靶点。

对化疗的影响。

我们之前已经证明,与野生型MEF相比,IKK1/2−/−MEF对DoxR诱导的细胞死亡和p53诱导更敏感(34). 重建IKK2而非IKK1可以阻断这种对p53稳定化的敏感性,并抑制60至72小时之间测得的DoxR诱导的细胞死亡−/−MEF不能激活IKK2依赖的抗凋亡基因,而这些基因可能是保护细胞免受死亡所必需的。本文的研究结果表明,即使在缺乏IKK1和IKK2活性的情况下,也有一小部分NF-κB被激活。此外,这种激活产生功能性转录活性(图。7C和E)治疗后24小时内测量。蛋白酶体抑制使IKK1/2增敏−/−24小时内细胞死亡的MEF(图。8B和C),我们认为在相同的时间尺度上,在IKK1/2中观察到DoxR诱导的NF-κB活性−/−在24到30小时之间,这些细胞可以潜在地保护DoxR诱导的细胞死亡(图。8B和C). 在有额外突变的肿瘤中,残留NF-κB活性延迟凋亡可能导致其他基因修饰,最终可能使肿瘤对化疗更具耐药性。由于长期使用DoxR治疗所需的保护水平可能需要额外的基因,这些基因由IKK2、IKK1/2调节−/−与野生型MEF相比,MEF对72小时测得的DoxR诱导的细胞死亡更敏感(34). 与IKK2依赖性保护相比,IKK2-independent保护DoxR诱导的细胞死亡的确切机制需要在有或无IK2的情况下识别NF-κB靶基因。如缺乏不同NF-κB亚单位的小鼠的不同表型所示,在存在或不存在IKK2的情况下,不同NFκB二聚体的激活可能决定被激活的基因类型。显然,破译目标基因表达的数量和数量的时间调控将有助于理解决定细胞对化疗反应结果的基因组合。

基于IKK2在调节NF-κB活性对抗癌药物反应中的关键作用(34),设计IKK2特异性抑制剂可能有助于选择性阻断NF-κB。然而,IKK2抑制剂不会阻断本研究中描述的IKK非依赖性NF-κB活性。与经典刺激激活NF-κB的情况一样(14),IKK非依赖性NF-κB的激活也被蛋白酶体抑制剂阻断(图。(图8A)。8安). 我们认为蛋白酶体抑制剂可以有效地增加化疗诱导的细胞死亡(7)反映了其阻断由IKK依赖和独立途径产生的NF-κB活性的能力。因此,我们的结果表明蛋白酶体抑制而非IKK抑制可能是辅助化疗的更好方法。基于我们研究的模型如图所示。图9C。9摄氏度总之,我们的结果为长期化疗期间肿瘤中产生IKK非依赖性NF-κB活性提供了证据。对可能产生类似活性的更多生理刺激的进一步评估也可能对人类恶性肿瘤中观察到的持续NF-κB活性提供见解。

致谢

我们感谢Bert Vogelstein和Wafik El-Deiry提供的rAD-p53病毒以及Matt Weitzman提供的有益讨论。

V.T.由白血病和淋巴瘤协会的一个携带者发展研究金资助。V.B.得到了来自拉法格国家癌症控制协会的奖学金支持。Q.L.是白血病和淋巴瘤学会的特别研究员。I.M.V.是美国癌症协会分子生物学教授,由NIH、Larry L.Hillblom基金会、Lebensfeld基金会、Wayne and Gladys Valley基金会以及H.N.and Frances C.Berger基金会资助。

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文章来自分子和细胞生物学由以下人员提供泰勒和弗朗西斯