TGF-β超家族信號(hào)通路參與了廣泛的生物學(xué)過程，對(duì)調(diào)控早期胚胎發(fā)育、細(xì)胞的生長(zhǎng)、干細(xì)胞的自我更新、腫瘤的發(fā)生發(fā)展等具有十分重要的調(diào)控作用。作為TGF-β超家族信號(hào)通路中抑制性的SMADs(Inhibitory SMADs， I-SMADs)，Smad7過去一直被認(rèn)為是TGF-β信號(hào)通路重要的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子，然而對(duì)于Smad7是否有不依賴于TGF-β信號(hào)通路的重要功能并不十分清楚。

　　9月5日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究員馮新華教授課題組在PNAS雜志在線發(fā)表了題為“Smad7 enables STAT3 activation and promotes pluripotency independent of TGF-β signaling”的研究論文，揭示了Smad7能夠通過TGF-β非依賴的方式與STAT3信號(hào)相互作用來調(diào)控干細(xì)胞的自我更新與分化，有力的拓展了Smad7全新的功能，并且暗示了這一全新的分子機(jī)制極有可能在炎癥反應(yīng)以及腫瘤中有更為廣泛的影響。

　　論文解讀：

　　人基因組編碼了33個(gè)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)超家族成員，包括TGF-β/Activin/Nodal以及BMP，它們對(duì)于維持干細(xì)胞的全能性以及在發(fā)育過程中決定細(xì)胞命運(yùn)都至關(guān)重要【1，2】。TGF-β超家族需要依靠細(xì)胞內(nèi)的R-Smads蛋白傳遞信號(hào)，比如TGF-β/Activin/Nodal能夠激活Smad2和Smad3，BMP能夠激活Smad1、Smad5和Smad8( SMAD 家族蛋白共有 8 個(gè)，細(xì)分為三類：受體激活型 SMAD，R-SMADs;通用伴侶型 SMAD，Co-SMAD);抑制型 SMAD， I-SMADs)。Smad7能夠被TGF-β超家族的所有成員誘導(dǎo)表達(dá)，并且在多個(gè)水平上抑制TGF-β信號(hào)通路，所以它被認(rèn)為是TGF-β信號(hào)通路重要的負(fù)反饋調(diào)節(jié)因子【3】(圖1)。

圖1 ?Smad7反饋抑制TGF-β信號(hào)通路??

　　Smad7最主要的作用機(jī)制是通過招募E3連接酶Smurf1/2或者Nedd4-2到 TGF-β受體，導(dǎo)致受體的泛素化降解。另外，Smad7可以被其它細(xì)胞因子(如EGF、IFN-γ、IL-1以及TNF-α)誘導(dǎo)表達(dá)，從而抑制TGF-β/BMP信號(hào)，它也可以調(diào)控TNF-α/NF-κB、JNK/p38以及Wnt等其他重要的信號(hào)通路【4】。不過Smad7對(duì)其他信號(hào)通路的調(diào)控基本都是通過抑制TGF-β/BMP信號(hào)間接實(shí)現(xiàn)的。另外，有關(guān)Smad7在胚胎干細(xì)胞(ESC)中的功能也有報(bào)道。比如，Smad7可以控制人ESC向端腦方向分化【5】，促進(jìn)小鼠造血干細(xì)胞的自我更新【6】。但是，Smad7是否能夠通過TGF-β非依賴的方式來調(diào)控干細(xì)胞的自我更新與分化，這個(gè)問題目前并不清楚。

　　早前的研究表明，白血病抑制因子(LIF)對(duì)于維持小鼠ESC的全能性至關(guān)重要。LIF屬于IL-6細(xì)胞因子家族，能夠通過共同受體gp130以及STAT3傳遞信號(hào)【7】。當(dāng)LIF與異源二聚受體復(fù)合物(gp130和LIFR)結(jié)合后，偶聯(lián)在受體胞內(nèi)段的酪氨酸激酶JAK被激活，并且磷酸化gp130胞內(nèi)段的酪氨酸殘基，從而為STAT3蛋白的SH2結(jié)構(gòu)域提供了錨定位點(diǎn)。當(dāng)STAT3結(jié)合到受體之后，被JAK磷酸化從而二聚化，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)入核，激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。磷酸酶SHP2可以通過去磷酸化gp130【8】，E3連接酶SOCS3可以通過負(fù)反饋機(jī)制抑制 STAT3激活【9】，從而終止 STAT3信號(hào)通路。LIF激活的STAT3可以和轉(zhuǎn)錄因子Oct4、Sox2、Nanog以及Smad1/5/8協(xié)同作用，共同維持小鼠ESC的全能性【10】。另外，STAT3可以促進(jìn)TGF-β1【11】以及Smad7【12】的表達(dá)，并且與Smad3相互作用抑制TGF-β信號(hào)通路。雖然STAT3和TGF-β都可以誘導(dǎo)Smad7的表達(dá)，但是Smad7是否與STAT3信號(hào)通路存在直接的crosstalk，從而影響ESC的全能性，還有待闡明。

　　在馮新華課題組的這項(xiàng)研究中，研究人員首先發(fā)現(xiàn)Smad7在未分化的小鼠ESC中高表達(dá)，隨著細(xì)胞的分化，其表達(dá)水平逐漸下降。在擬胚體(EB)分化實(shí)驗(yàn)中，過表達(dá)Smad7能夠有效遏制干性基因的下降，從而維持細(xì)胞的全能性。而敲減Smad7會(huì)顯著抑制小鼠ESC的自我更新，并且促進(jìn)ESC向外胚層和中胚層分化。更重要的是，Smad7還會(huì)影響小鼠體細(xì)胞向iPSC重編程的過程。研究人員發(fā)現(xiàn)，在重編程的過程中，伴隨著全能性基因的表達(dá)，Smad7的表達(dá)水平也會(huì)上升。如果敲減掉Smad7會(huì)明顯減少iPSC克隆的形成。所以，不管是維持小鼠ESC的自我更新，還是提高體細(xì)胞的重編程效率，Smad7都起到了關(guān)鍵的調(diào)控作用。

　　考慮到Smad7最經(jīng)典的功能就是TGF-β/BMP信號(hào)的抑制因子，所以一開始研究人員很自然地想到，Smad7很有可能是通過抑制TGF-β信號(hào)從而促進(jìn)ESC的自我更新的。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻很意外。通過使用TGF-β/BMP特異性的抑制劑，以及Smad7喪失其抑制TGF-β/BMP能力的點(diǎn)突變，都證明Smad7對(duì)ESC全能性的調(diào)控是不依賴于TGF-β/BMP信號(hào)通路的，這表明很有可能存在著一種全新的分子機(jī)制。

　　研究人員通過質(zhì)譜方法分析了Smad7在小鼠ESC中潛在的相互作用蛋白，發(fā)現(xiàn)Smad7可能和gp130-STAT3信號(hào)通路存在直接的crosstalk。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Smad7果然能夠在ESC中增強(qiáng)LIF激活的STAT3信號(hào)，并且同樣也不依賴于TGF-β/BMP。那么，Smad7究竟是通過什么機(jī)制促進(jìn)LIF-STAT3的呢?研究人員接下來又利用免疫共沉淀(Co-IP)的方法對(duì)gp130-STAT3信號(hào)通路中重要的蛋白進(jìn)行了篩選，確認(rèn)Smad7與共受體gp130存在直接相互作用。并且，Smad7在gp130上的結(jié)合區(qū)域恰好與gp130-STAT3的負(fù)調(diào)控因子SHP2/SOCS3的結(jié)合位點(diǎn)(Y759)重合。進(jìn)一步的體外體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也都表明Smad7確實(shí)能夠抑制SHP2/SOCS3與gp130的結(jié)合。最后還通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了Smad7通過拮抗SHP2/SOCS3對(duì)LIF-STAT3信號(hào)通路的抑制作用，從而增強(qiáng)STAT3信號(hào)，維持ESC的自我更新(圖2)。

圖2 ?Smad7增強(qiáng)gp130-STAT3信號(hào)的分子機(jī)制

　　綜上所述，該研究揭示了Smad7與STAT3信號(hào)的相互作用對(duì)于維持小鼠胚胎干細(xì)胞全能性的關(guān)鍵作用。我們知道，除了影響干細(xì)胞的全能性，TGF-β-Smad與gp130-STAT3信號(hào)通路的相互作用還存在于許多重要的生理病理過程。所以我們相信，這一全新的分子機(jī)制極有可能在炎癥反應(yīng)以及腫瘤中有更為廣泛的影響。

馮新華教授簡(jiǎn)介

　　馮新華，博士，國(guó)家特聘專家，現(xiàn)任浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院教授 、首席研究員、院長(zhǎng) 。1983年畢業(yè)于武漢大學(xué)生物系，1986年在中國(guó)科學(xué)院遺傳研究所獲得遺傳學(xué)碩士學(xué)位，1992年在美國(guó)馬里蘭大學(xué)(University of Maryland-College Park)獲得植物學(xué)博士學(xué)位。1993至1999年在美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校(UCSF)先后從事博士后訓(xùn)練和擔(dān)任研究助理教授，1999年底起在美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院(BCM)外科學(xué)系、分子與細(xì)胞生物學(xué)系擔(dān)任助理教授 ，2003年獲任為副教授(tenured)，2007年升為教授(tenured)，并兼任Duncan 癌癥中心、STaR干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)中心、炎癥生物學(xué)中心研究員。2009年底起回到浙江大學(xué)組建生命科學(xué)研究院，同年入選中組部“千人計(jì)劃”。馮新華長(zhǎng)期從事信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和蛋白質(zhì)翻譯后修飾在正常組織器官發(fā)育、干細(xì)胞維持和分化以及癌癥發(fā)生和轉(zhuǎn)移中的功能與機(jī)制研究，在國(guó)際上享有極高的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，尤其在TGF-β信號(hào)領(lǐng)域的研究處于國(guó)際領(lǐng)先地位。先后獲得過Keck Distinguished Young Scholar、American Cancer Society Research Scholar、Leukemia & Lymphoma Society Scholar、Michael E. DeBakey Excellence in Research、AAAS Fellow、長(zhǎng)江學(xué)者講座教授以及浙江省有突出貢獻(xiàn)中青年專家等重要學(xué)術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)。先后擔(dān)任國(guó)際主流學(xué)術(shù)雜志JBC 等6個(gè)學(xué)術(shù)雜志編委或副主編?；貒?guó)后受到國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和科技部重大研究計(jì)劃等資助。