Mol Cell丨叢楓組報道一個全新的關於β-catenin 降解複合體形成與調節的分子模型

責編丨迦漵

Wnt/β-catenin信號通路在發育以及組織穩態方面起著關鍵性作用，大量研究發現該信號通路異常會導致包括癌症在內的眾多疾病

【1】

。在正常情況下該信號通路通過調節β-catenin 降解複合體的活力，嚴格控制β-catenin在細胞中的含量。在沒有Wnt信號情況下，β-catenin與Axin、 APC

（adenomatous polyposis coli）

 、GSK3 和CK1α形成多蛋白複合體，並被該複合體內的激酶磷酸化，繼而被E3泛素連接酶識別並降解。Wnt信號通路一旦被激活，該蛋白複合體的功能會被抑制，積累的β-catenin結合TCF轉錄因子，啟動Wnt/β-catenin靶向基因的表達。在該蛋白複合體內，Axin作為腳手架蛋白，可以與GSK3、CK1α、β-catenin以及APC直接結合， 同時APC也可以與Axin和β-catenin 直接結合，促進β-catenin 的降解

【1,2】

。

大量臨床研究發現APC在80%以上的結腸腫瘤中存在突變，產生截短的APC蛋白， 這些截短的APC蛋白都喪失了Axin結合位點。但是在結腸癌細胞中，由於截短的APC蛋白還保留部分β-catenin結合位點，β-catenin 降解複合體並未完全失活

【3,4,5】

。 經過多年的研究，

相對於其他幾個主要成分，APC在β-catenin 降解複合體中的具體功能依舊不清晰， 同時，Wnt信號通路如何調節該複合體的活性依舊不明朗。

9月6日，美國諾華醫學研究所Feng Cong課題組，在

Molecular Cell

上在線發表了題為

Identification of ICAT as an APC inhibitor, Revealing Wnt-Dependent Inhibition of APC-Axin Interaction

的研究論文，證明，

ICAT可以通過與APC競爭性的結合β-catenin，從而抑制β-catenin降解複合體的活力

。 同時，研究人員首次發現，

Wnt刺激可以在短時間內有效抑制APC與Axin的相互作用，對於Wnt如何抑制β-catenin 降解複合體的功能提出了一個全新的分子模型

。

在結腸癌細胞中有大量的β-catenin表達，是否存在其他未知的調控機制可以影響β-catenin的水平，是Wnt領域一個炙手可熱的研究方向。在這項研究中，研究人員首先在結腸癌細胞系中建立β-catenin-YFP報告基因系統，然後

利用全基因組水平CRISPR篩選技術去尋找影響β-catenin降解的新的調控分子

。研究人員驚奇的發現

ICAT

(Inhibitor of β-catenin and TCF)

, 一個已知抑制β-catenin-TCF結合的多肽

【6】

，是此篩選中最強的靶標。

大量後續實驗證明，

ICAT是自然存在的APC抑制分子，它通過阻止APC-β-catenin 結合來抑制β-catenin的降解

。 利用ICAT可以阻止APC與β-catenin相互作用這一特性，研究人員發現，β-catenin可以通過橋連APC與Axin促進其自身降解複合體的形成，而這種橋連作用對於存在APC突變或者接受Wnt信號刺激的細胞是至關重要的， 而在未受Wnt信號刺激的細胞中是不重要的。

通過在細胞內過表達ICAT或者在基因水平上敲除β-catenin，實現徹底阻止細胞內β-catenin的橋連作用，作者首次發現並證明Wnt可以抑制APC與Axin的直接相互作用（

下圖

）

。

從研究意義層面來說，該研究做出了一系列亮點發現，具體表現在：

1. 大多數現有關於APC在β-catenin 降解複合體的功能模型強調APC/β-catenin相互作用的重要性，而研究人員發現，在沒有接受Wnt刺激的細胞內過表達ICAT，儘管阻止了APC/β-catenin的相互作用，對細胞內β-catenin的水平並沒有影響，而這個實驗證據

強調了APC/β-catenin相互作用重要性模型的認知局限

。

2. 通過巧妙利用ICAT與APC競爭結合β-catenin的獨一特性，該研究在分子層面證明了

β-catenin可以橋連APC與Axin，促進β-catenin降解複合體的組裝和自身的降解

。這一功能在存在APC突變的腫瘤細胞內和接受Wnt刺激的細胞內是極為重要的，而這一功能在Wnt領域被長期忽視。

3. 儘管前期大量研究都發現APC/Axin相互作用對於β-catenin 降解複合體的功能是重要的，但是對於Wnt是否可以調節二者的相互作用這一問題卻沒有明確答案, 而回答這一重要問題的障礙在於β-catenin的橋連作用。

此項研究在分子生物學層面首次證明了Wnt可以在短時間內迅速抑制APC/Axin的直接相互作用

。 

綜合所有發現， 此項研究提出了一個全新的關於β-catenin 降解複合體形成與調節的分子模型。Axin-APC-β-catenin 通過兩兩之間的相互作用形成複合體， 而APC對於這一複合體的穩定與活性是至關重要的。

β-catenin通過橋連作用促進APC/Axin結合，而這一功能在APC突變細胞中極為重要， 因為截短的APC無法與Axin直接結合

。 

同時，本研究也發現，

β-catenin的橋連作用在接受Wnt刺激的細胞中也是重要的， 因為Wnt抑制了APC與Axin的直接結合，但在未受Wnt刺激的細胞中是不重要的， 因為APC與Axin的直接結合足以促使β-catenin降解複合體的形成

。 這一工作為以後更進一步理解β-catenin 降解複合體的調控提供了新的研究思路。

據悉，該論文主要由Feng Cong實驗室的博士後計磊完成，華盛頓大學的Wenqing Xu教授課題組提供了結構生物學分析支持，從生物物理學角度分析了ICAT與APC競爭結合β-catenin的可能性。

參考文獻：

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Cell 

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Journal of Biological Chemistry 

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6. Tago, Ken-ichi, et al. "Inhibition of Wnt signaling by ICAT, a novel β-catenin-interacting protein." 

Genes & development

14.14 (2000): 1741-1749.

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