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气泡通过组装致癌信号中枢来促进细胞存活

摘要

大多数人类细胞都需要锚来生存。细胞与底物的粘附激活了不同的信号通路,没有这些信号通路,细胞就会经历细胞死亡(一种程序性细胞死亡)1.获得anoikis耐药是癌症疾病进展的关键步骤,因为转移细胞经常失去与周围组织的牢固附着23..在这些不良附着状态下,细胞呈圆形形态,形成小的半球形质膜突起,称为泡4567891011.在变形虫迁移的背景下,泡函数已经被彻底地研究了,但在其他情况下,它的研究却少得多12.在这里,我们通过三维成像和细胞形态状态的操作显示,起泡触发质膜-近端信号枢纽的形成,赋予anoikis抗性。具体来说,在黑色素瘤细胞中,起泡产生质膜轮廓,招募曲率敏感的隔素蛋白作为组成型活性突变NRAS和效应物的支架。这些信号中枢激活了促生存途径的ERK和pi3k -established启动子。抑制泡泡或间隔蛋白对良好粘附细胞的存活影响不大,但在分离细胞中,它会导致NRAS定位错误,MAPK和PI3K活性降低,最终导致死亡。这揭示了突变NRAS作为有效癌蛋白的形态学要求。此外,尽管一些BRAF突变的黑色素瘤细胞在基础状态下不依赖于这种生存途径,但抑制BRAF和MEK会使它们对泡和隔膜抑制强烈敏感。此外,即使没有致癌基因突变,被改造成纤维细胞也能维持起泡,获得与癌细胞相同的耐耐耐药。因此,气泡是一种有效的信号细胞器,能够将无数的细胞信息流整合到一致的细胞反应中,在这种情况下给予强大的抗anoikis抗性。

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图1:泡抑制破坏了黑素瘤细胞的anoikis抗性。
图2:水泡产生的质膜曲率驱动皮质隔膜结构的组装。
图3:septin对于依赖水泡的anoikis抗性是必要的。
图4:septin支持NRAS,促进NRAS - mapk和NRAS - pi3k存活信号传递。
图5:破坏泡的衰减可产生成纤维细胞的抗anoikis。

数据可用性

在这项研究中生成的蛋白质组学数据集可在海量存储库中获得https://doi.org/10.25345/C5HQ3S35T(对应于补充表1),https://doi.org/10.25345/C5NG4GW9J(对应于补充表2).支持本研究结果的所有其他数据均可在Zenodo存储库(https://doi.org/10.5281/zenodo.7416301).源数据提供了这篇论文。

代码的可用性

本研究结果的所有核心代码、算法和软件均可根据合理要求从通讯作者处获得。大部分可以在https://github.com/DanuserLab,其中针对本文的代码在https://github.com/DanuserLab/Weems-Septin-Paper.此代码也可在Zenodo存储库(https://doi.org/10.5281/zenodo.7435279).

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确认

我们感谢TheWell Bioscience的J. Huang提供了关于VitroGel物理特性的信息,D. Segal讨论了septin抑制,X. Jiang讨论了最佳传输,P. Roudot讨论了3D图像分析,T. Isogai就接近蛋白质组学提供了建议,B. Nanes在数据盲法方面提供了帮助,M. McMurray对手稿提供了反馈。我们感谢德州大学西南生物高性能计算团队提供必要的计算基础设施。Danuser实验室通过拨款R35 GM136428 (NIH)和I-1840-20200401 (Welch基金会)为这项工作提供资金,Fiolka实验室通过拨款R33 CA235254 (NIH)和R35 GM133522 (NIH)为这项工作提供资金。医学博士由K99 GM123221 (NIH)奖学金资助。A.D.W.s是简·科芬·查尔兹纪念基金的成员。

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实验设计由A.D.W.、e.s.w.、M.K.D.、g.m.g.、V.S.M.和G.D.进行。实验执行由A.D.W.、e.s.w.、b.g.w.、g.m.g.、V.S.M.和D.R.进行。数据分析由A.D.W.、M.K.D.、h.m.f。统计分析由A.D.W.、M.K.D.和F.Z.进行。数据可视化和图形制作由A.D.W.和G.D.进行。图形布局由M.K.D.设计(u-shape3D), h.m.f。(EMD分析)和F.Z.(时间序列分析)。b.j.c., K.M.D.和R.F.设计、制造和维护3D光片显微镜。这篇论文是由A.D.W.和G.D.撰写的,所有作者都对其进行了编辑和批准。图的实验。1由A.D.W.和E.S.W.进行,并由A.D.W.进行分析。1通过图中的A.D.W.实验进行分析。二维由E.S.W.进行,并由M.K.D.实验进行分析。2 j采用A.D.W.和E.S.W.进行分析。2 l所有其他实验和分析见图。2由A.D.W.实验在图。3 b由A.D.W.和E.S.W.进行,并由A.D.W.进行分析。3.由图中的A.D.W.分析进行。4 b由h.m.f执行。所有其他实验和分析如图。4所有实验和分析如图所示。5由A.D.W.实验在扩展数据图中进行。1由E.S.W.进行,并由M.K.D.在扩展数据图中的实验进行分析。1罪犯由A.D.W.和E.S.W.进行所有其他分析在扩展数据图中。1由A.D.W.实验和扩展数据图中的分析进行。2由A.D.W.实验在扩展数据图中进行。3.采用v.s.m.、D.R.和A.D.W.进行,并通过A.D.W.实验和扩展数据图中的分析进行分析。4由A.D.W.实验在扩展数据图中进行。5由A.D.W.进行,并由F.Z.进行分析。6由A.D.W.实验在扩展数据图中进行。7由G.M.G.进行,并通过G.M.G.和A.D.W.实验和扩展数据图中的分析进行分析。8- - - - - -10在扩展数据表中进行A.D.W.实验2由B.G.W进行,并通过a.d.w实验和补充视频中的分析进行分析1- - - - - -4由A.D.W.执行

相应的作者

对应到安德鲁·d·威姆斯Gaudenz Danuser

道德声明

相互竞争的利益

德克萨斯大学系统董事会已经申请了一项专利(美国专利63/334,029,2022年4月22日申请),涉及靶向治疗间隔蛋白和起泡,部分基于本文的数据。a.d.w., g.d., E.S.W.和M.K.D.被命名为发明家。作者声明没有其他竞争利益。

同行评审

同行评审信息

自然感谢Philippe Bastiaens、Erez Raz、Elias Spiliotis和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所作的贡献。同行评审报告是可用的。

额外的信息

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1气泡抑制活性实验的复制。

(一)不同浓度WGA处理MV3细胞后,细胞表面含泡的部分。虚线分隔四分位数。圆点代表单个细胞。(B)单个气泡抑制活性实验,如图所示。1.每次配对的粘附/分离细胞实验都在同一天进行,并使用来自相同稀释细胞悬液的细胞进行播种。(C)细胞在“粘附”条件下的形态,与图相关。1.细胞在贴壁腔载玻片上无扰动生长24小时。代表688 (MV3), 405 (M498),或576 (A375)观察细胞。(D)对照和实验条件之间的配对平均差异显示在图中所示数据的Gardner-Altman估计图中。1 d3 b4 d4 e,4 f.灰色分布代表5000个自举样本,黑条代表95%置信区间,黑点代表平均差值。

源数据

图2 SEPT6-GFP定位和septin抑制作用。

(一)小鼠SEPT6-GFP探针在软质牛胶原蛋白中MV3细胞中的定位。两列代表细胞的最大强度投影(左)和0.16微米厚度的单个z切片(右)。(B)小鼠SEPT6-GFP探针在MV3细胞中定位的最大强度投影,有或没有FCF或SEPT2表达抑制(33-306)。细胞嵌在柔软的牛胶原蛋白中。(下图)MV3细胞表面由泡组成的部分,包括SEPT6-GFP表达、FCF处理和SEPT2(33-306)表达。虚线分隔四分位数。圆点代表单个细胞。(C)小鼠SEPT6-GFP探针在软质牛胶原蛋白中MV3细胞中的定位。两列代表性细胞的最大强度投影和0.16微米厚度的单个z切片。(上图)表达SEPT2(33-306)突变体的细胞。(下图)表达胞质mCherry的细胞(未显示)使用与SEPT2(33-306)构建相同的pLVX-IRES-Hyg载体。作为阴性对照,证明SEPT2(33-306)表达细胞中的septin错定位不是由于蛋白质表达结构引起的影响。

源数据

图3免疫荧光内源性septin定位。

(一)MV3细胞粘附在纤维连接蛋白涂布的玻片上,显示小鼠SEPT6-GFP探针或抗sept2免疫荧光定位。而已建立的septin定位到肌动蛋白应激纤维(https://doi.org/10.1016/s1534 - 5807 (02) 00366 - 0),与SEPT6-GFP相比,反sept2信号不规则,点状,信噪比(SNR)较低。比例尺为10微米。(B)在软质牛胶原蛋白中嵌入的圆形起泡MV3细胞中的抗sept2信号,最大强度投影(上)和0.16微米厚度的单个z切片(下)。来自同一细胞的Phalloidin信号如图所示,以可视化细胞表面。抗sept2信号具有低信噪比,可见粘附细胞。尽管如此,信号在细胞表面的囊状区域富集,就像在表达SEPT6-GFP探针的细胞中看到的那样(见扩展数据图)。2).(C)扩展数据图所示的细胞表面抗sept2信号分布。3 b(D)局部抗sept2或SEPT6-GFP强度和细胞内平均曲率与泡边距离的函数。平均强度只包括细胞表面最亮的50%,以说明点状和不连续的免疫荧光信号。(E)在表达SEPT6-GFP和不表达SEPT6-GFP的MV3细胞中,抗sept2强度高于细胞质平均强度的皮质体素(距表面0.96 μ m内)比例。虚线分隔四分位数,圆点代表单个单元格。

源数据

扩展数据图4破坏曲率感知的突变阻断了间隔蛋白在细胞表面的定位。

上图,漫画说明了SEPT6(ΔAH)-GFP突变体改变功能的机制。左下,平均局部SEPT6(ΔAH)-GFP强度和细胞内平均曲率作为距离泡边距离的函数,从5 MV3细胞上的630个泡计算得出。误差带表示95%置信区间。右下,两种SEPT6-GFP的平均局部隔膜强度与局部极大值之间的差异是距离泡边距离的函数(如图所示)。2 e)和SEPT6(ΔAH)-GFP。

源数据

图5 MV3中高速时间流逝SEPT6-GFP数据分析。

(一)局部平均曲率和SEPT6-GFP数据的自相关曲线如图所示。2 l;将荧光信号归一化以解释方法中所述的光漂白。(B)时序互相关函数如图所示。2 l这里有更大范围的时间滞后。(C)阳性和阴性细胞内平均曲率contigs的SEPT6-GFP强度绝对变化的平均速率,表示为它们所发生的contigs的动态函数。动态被定义为在一个contig内显示强度增加和减少的时间点总数,除以该contig内的时间点总数。来源于图中使用的相同数据集。2 l.纵虚线表示低动态组和高动态组的阈值,如图所示。2 l而且S7B

源数据

扩展数据图6破坏寡聚体间聚合的突变阻断了间隔蛋白在细胞表面的定位。

上图是说明SEPT2(33-306)突变体功能改变机制的漫画。上图左下方,在表达SEPT2的细胞中,平均局部SEPT6-GFP强度和细胞内平均曲率与泡边距离的函数(33-306),计算结果来自8个MV3细胞中的1293个泡。误差带表示95%置信区间。下图左下,表达SEPT2的细胞(33-306)和对照细胞的平均局部SEPT6-GFP强度与局部最大值的差异是距离泡边距离的函数(如图所示)。2 e).右下,SEPT2在表达和不表达SEPT2(33-306)的MV3细胞中的Western blot结果。SEPT2的计算质量为41.5kD, SEPT2(33-306)为31.7 kD。注释显示所指示的阶梯带的位置。

源数据

图7 MAPKi处理A375细胞后septin表达的变化。

上,SEPT2, SEPT6, SEPT7和SEPT9丰度的Western blot(质谱测定A375细胞中表达最高的4个sepatin,见扩展数据表2),以指示剂量与Dabrafenib和曲美替尼联合治疗。进行了三个独立的实验,所有重复的数据与文库素加载对照一起显示。下图,Western blots的密度分析显示septin的表达如剂量反应曲线的折叠变化。虚线表示单个实验(根据表示Western blot复制的色条进行颜色编码);红色实线表示所有重复的平均值。

源数据

扩展数据图8 SEPT2(33-306)表达对生存力的影响。

表达SEPT2的粘附和分离黑色素瘤细胞的活力(33-306)。细胞培养24小时,用乙锭同型二聚体染色检测细胞死亡。所有处理组在同时进行的配对实验中进行生长和分析。点代表单独的实验。所有复制的单元格计数(参见扩展数据表)1个人计数):MV3 (951, 872), A375(653, 1302)。MV3和A375数据集采用单侧配对T检验进行检验,p = 1.02x10−3p = 0.388。

源数据

图9 SEPT6表达对NRAS定位的影响

(一)观察到单个未受干扰和间隔素抑制的MV3细胞皮层(距表面0.96 μ m内的体素)NRAS-GFP %的富集。基础/FCF采用单侧Welch 's t检验(p = 4.27x10−5),正态性检验采用Shapiro-Wilk检验(p = 0.219 & 0.219),方差检验采用双尾F检验(p = 0.0054)。基础/SEPT2(33-306)采用双样本单侧t检验(p = 0.0101),正态性采用Shapiro-Wilk检验(p = 0.219 & 0.724),方差采用双尾F检验(p = 0.768)。虚线分隔四分位数。(B)使用与SEPT2(33-306)构建物相同的pLVX-IRES-Hyg载体,观察有和没有SEPT6-HALO表达的单个MV3细胞皮层(表面0.96 μ m内的体素)NRAS-GFP的富集百分比。作为阴性对照,表明NRAS在SEPT2(33-306)表达细胞中的错定位不是由于蛋白质表达结构引起的影响。采用双样本单侧t检验(p = 0.738),正态性采用Shapiro-Wilk检验(p = 0.315 & 0.426),方差采用双尾F检验(p = 0.181)。虚线分隔四分位数。(C)粘附和分离的MV3细胞表达显性阴性NRAS(S17N)后细胞死亡。细胞生长如图所示。124小时。数据归一化,从每个治疗组中减去配对阴性控制值。点代表单独的实验。所有复制的单元格计数,括号中为控制计数(参见扩展数据表)1个人计数):Adh. 1105(1039), Det. 799(734)。

源数据

图10非恶性细胞对Anoikis的耐药性。

(一)SEPT6-GFP在最近分离的HEK细胞中的定位,嵌入柔软的牛胶原蛋白中。顶部为最大强度投影(MIP);底部,来自同一细胞的单个0.16 μ m z切片。(B)10µg/mL WGA处理4小时后,粘附和分离细胞的MV3细胞中显示caspase激活的额外部分(与匹配的当日阴性对照相比)。括号内对照的总细胞计数:复制1:Adh 143(220), Det 310(544);复制2:Adh 182(152), Det 256(215);重复3:Adh 134(157), Det 89(267)。(C)相同的数据如图所示。5度,没有归一化。实线、虚线和虚线表示配对的同一天实验。复制1:Con 49(89), DYN2(K44A) 38(55), DYN2(K44A)+WGA 32(25), DYN2(K44A)+FCF 27(33);复制2:Con 23(25), DYN2(K44A) 28(39), DYN2(K44A)+WGA 27(43), DYN2(K44A)+FCF 28(34);复制3:Con 92(54), DYN2(K44A) 121(84), DYN2(K44A)+WGA 101(115), DYN2(K44A)+FCF 141(70)。

源数据

扩展数据图11图形摘要。

通过气泡信号的信息流以及构建前生存气泡信号中枢的机制的概要说明。

扩展数据表1相关实验的细胞计数
表2 septin蛋白质组学结果汇总

补充信息

补充图1

本研究显示了未裁剪的western blots图像。

报告总结

补充表1

MV3裂解物和SEPT6下拉实验的质谱结果总结。仅用1 PSM鉴定的蛋白质用橙色突出显示,已鉴定但未定量的蛋白质用蓝色突出显示,来自实验者的潜在污染物用黄色突出显示。栏目标题的细节如下-蛋白质FDR置信度:高(1%错误发现率),中(5%错误发现率)或低(>5%错误发现率);主蛋白:如果一组蛋白质中有一个以上的蛋白质具有相同的得分,且psm数量相等,多肽数量相等,则序列最长的蛋白质被指定为主蛋白;Accession:蛋白质接入号(from UniProtKB);Description:来自UniProt的描述;覆盖率(%):被该蛋白识别的多肽所覆盖的蛋白质序列的百分比;#PSMs:肽谱匹配的数量,或分配给有助于蛋白质推断的肽谱的数量;MW [kDa]:基于Uniprot序列的蛋白分子量;丰度:为该蛋白质识别的每个肽的峰值强度的总和(这些值可用于比较样品之间蛋白质的相对丰度)。

补充表2

SEPT6 BioID接近标记实验的质谱结果总结。仅用1 PSM鉴定的蛋白质用橙色突出显示,已鉴定但未定量的蛋白质用蓝色突出显示,来自实验者的潜在污染物用黄色突出显示。栏目标题详情如下-蛋白质FDR置信度:高(1%错误发现率),中(5%错误发现率)或低(>5%错误发现率);主蛋白:如果一组蛋白质中有一个以上的蛋白质具有相同的得分,且psm数量相等,多肽数量相等,则序列最长的蛋白质被指定为主蛋白;Accession:蛋白质接入号(from UniProtKB);Description:来自UniProt的描述;覆盖率(%):被该蛋白识别的多肽所覆盖的蛋白质序列的百分比;#PSMs:肽谱匹配的数量,或分配给有助于蛋白质推断的肽谱的数量;MW [kDa]:基于Uniprot序列的蛋白分子量;丰度:为该蛋白质识别的每个肽的峰值强度的总和(这些值可用于比较样品之间蛋白质的相对丰度)。

补充视频1

哺乳动物细胞脱离后呈圆形和水泡状。上图:三种常见细胞系(MEF细胞、人上皮肾293细胞和人支气管上皮细胞)在塑料培养皿中标准贴壁条件下生长。下图:用胰蛋白酶和温和移液处理3分钟后,相同培养物的细胞脱落。所有时间间隔以≈15倍速度播放。

补充视频2

使用u-Shape3D将原始光片显微镜数据转换为3D表面。MV3细胞粘附不良,包埋在柔软的牛胶原蛋白中。用小鼠SEPT6-GFP探针可见septin。

补充视频3

鼻塞在水泡的弯曲底部“跳动”。MV3细胞粘附不良,包埋在柔软的牛胶原蛋白中。用小鼠SEPT6-GFP探针可见septin。以≈0.83 Hz采集的5分钟时间间隔播放了两次,第二次带有箭头和插图,突出了间隔脉冲。

补充视频4

反复起泡产生稳定的隔膜结构。MV3细胞粘附不良,包埋在柔软的牛胶原蛋白中。用小鼠SEPT6-GFP探针可见septin。在≈0.83 Hz下获得5分钟时间延迟。三个正交图显示了紧密间隔的迭代泡疱,产生间隔脉冲,结合形成明亮稳定的结构,保持信号强度独立于局部泡疱。

同行评审文件

源数据

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威姆斯,a.d.,韦夫,e.s.,德里斯科尔,M.K.et al。气泡通过组装致癌信号中枢来促进细胞存活。自然(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05758-6

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