2019年8月29日，哈佛大學醫學院Xu Wu教授團隊在Nature雜誌發表了題爲Fatty acids andcancer-amplified ZDHHC19 promote STAT3 activation through S-palmitoylation的文章，發現STAT3翻譯後會在SRC同源2 （SH2）域發生S -棕櫚酰化，促進STAT3的二聚化和轉錄激活，並鑑定到ZDHHC19是一種調節STAT3棕櫚酰化的酰基轉移酶。該論文首次發現脂肪酸和ZDHHC19介導的棕櫚酰化是STAT3信號調控的重要因素，這爲揭示棕櫚酰化與炎症和癌症的關係提供了重要證據。 2019年8月29日，哈佛大學醫學院Xu Wu教授團隊在Nature雜誌發表了題爲Fatty acids andcancer-amplified ZDHHC19 promote STAT3 activation through S-palmitoylation的文章，發現STAT3翻譯後會在SRC同源2 （SH2）域發生S -棕櫚酰化，促進STAT3的二聚化和轉錄激活，並鑑定到ZDHHC19是一種調節STAT3棕櫚酰化的酰基轉移酶。該論文首次發現脂肪酸和ZDHHC19介導的棕櫚酰化是STAT3信號調控的重要因素，這爲揭示棕櫚酰化與炎症和癌症的關係提供了重要證據。

作者首先利用蛋白棕櫚酰化的化學報告因子鑑定到STAT3翻譯後會發生棕櫚酰化修飾，進一步在多個細胞系中使用化學報告因子分析證實了外源性表達和內源性表達的STAT3通過硫代酯鍵被S-棕櫚酰化，而硫代酯鍵可被NH2OH分解（圖1a）。STAT家族不同成員的棕櫚酰化修飾程度存在差異，棕櫚酰基（C16）和硬脂酰基（C18）是STAT3修飾的主要酰基（圖1b）。酰基聚乙二醇交換實驗證實，與胞質STAT3相比，核內STAT3具有更高的棕櫚酰化水平（圖1c，d）。脈衝追蹤實驗表明，STAT3棕櫚酰化的半衰期約爲1.8小時，證明STAT3的棕櫚酰化處於動態變化之中（圖1e）。突變分析表明，STAT3的棕櫚酰化位點很可能位於SH2結構域或C末端區域，進化上保守的C687和C712殘基在該過程中不可或缺（圖1f）。 作者首先利用蛋白棕櫚酰化的化學報告因子鑑定到STAT3翻譯後會發生棕櫚酰化修飾，進一步在多個細胞系中使用化學報告因子分析證實了外源性表達和內源性表達的STAT3通過硫代酯鍵被S-棕櫚酰化，而硫代酯鍵可被NH2OH分解（圖1a）。STAT家族不同成員的棕櫚酰化修飾程度存在差異，棕櫚酰基（C16）和硬脂酰基（C18）是STAT3修飾的主要酰基（圖1b）。酰基聚乙二醇交換實驗證實，與胞質STAT3相比，核內STAT3具有更高的棕櫚酰化水平（圖1c，d）。脈衝追蹤實驗表明，STAT3棕櫚酰化的半衰期約爲1.8小時，證明STAT3的棕櫚酰化處於動態變化之中（圖1e）。突變分析表明，STAT3的棕櫚酰化位點很可能位於SH2結構域或C末端區域，進化上保守的C687和C712殘基在該過程中不可或缺（圖1f）。

圖1 STAT3在進化上保守的半胱氨酸殘基（C687和C712）上發生了s -棕櫚酰化 圖1 STAT3在進化上保守的半胱氨酸殘基（C687和C712）上發生了s -棕櫚酰化

由於JAK激酶磷酸化位點（Y705）與上述兩個棕櫚酰化位點相隔很近，作者檢測了磷酸化與棕櫚酰化是否會互相影響。IL-6或IFNγ刺激HEK293A細胞後，細胞中STAT3棕櫚酰化水平上升，而磷酸化位點的突變會導致棕櫚酰化水平下調，證明細胞因子誘導的STAT3磷酸化會促進其棕櫚酰化，但磷酸化對於棕櫚酰化並不是必需的（圖2a-d）。 由於JAK激酶磷酸化位點（Y705）與上述兩個棕櫚酰化位點相隔很近，作者檢測了磷酸化與棕櫚酰化是否會互相影響。IL-6或IFNγ刺激HEK293A細胞後，細胞中STAT3棕櫚酰化水平上升，而磷酸化位點的突變會導致棕櫚酰化水平下調，證明細胞因子誘導的STAT3磷酸化會促進其棕櫚酰化，但磷酸化對於棕櫚酰化並不是必需的（圖2a-d）。

圖2 STAT3的磷酸化和棕櫚酰化能在細胞因子和脂肪酸影響下促進STAT3二聚化 圖2 STAT3的磷酸化和棕櫚酰化能在細胞因子和脂肪酸影響下促進STAT3二聚化

IL-6刺激後，棕櫚酰化缺陷型突變體STAT3（C687S/C712S）的Y705磷酸化水平及K685乙酰化水平並未發生顯著變化，但覈定位受到抑制。此外，該突變體STAT3同源二聚化及STAT1-STAT3異源二聚化顯著降低（圖2e），而JAK1-STAT3二聚化並未發生變化。抑制STAT3中SH2結構域二聚化並不會影響STAT3的棕櫚酰化水平。先前研究中的結構預測顯示SH2結構域中具有脂質結合口袋，能發揮潛在的調節脂質-酰基鏈結合和增強二聚化的能力，因此作者構建了疏水口袋縮小的突變體來限制SH2結構域的脂類結合能力，以探究其對STAT3棕櫚酰化和二聚化的影響。結果發現，疏水口袋縮小後STAT3的棕櫚酰化和二聚化水平顯著降低。上述研究表明，棕櫚酰化能在不影響磷酸化和乙酰化水平的條件下，通過SH2結構域中的脂類結合口袋調節STAT3的二聚化。此外，小鼠胚胎成纖維細胞中的研究與HEK293A細胞研究結果類似，同樣證明細胞因子刺激可以促進STAT3的棕櫚酰化，而棕櫚酰化可能是細胞因子刺激的一種正反饋效應，能進一步促進STAT3的二聚化與激活。 IL-6刺激後，棕櫚酰化缺陷型突變體STAT3（C687S/C712S）的Y705磷酸化水平及K685乙酰化水平並未發生顯著變化，但覈定位受到抑制。此外，該突變體STAT3同源二聚化及STAT1-STAT3異源二聚化顯著降低（圖2e），而JAK1-STAT3二聚化並未發生變化。抑制STAT3中SH2結構域二聚化並不會影響STAT3的棕櫚酰化水平。先前研究中的結構預測顯示SH2結構域中具有脂質結合口袋，能發揮潛在的調節脂質-酰基鏈結合和增強二聚化的能力，因此作者構建了疏水口袋縮小的突變體來限制SH2結構域的脂類結合能力，以探究其對STAT3棕櫚酰化和二聚化的影響。結果發現，疏水口袋縮小後STAT3的棕櫚酰化和二聚化水平顯著降低。上述研究表明，棕櫚酰化能在不影響磷酸化和乙酰化水平的條件下，通過SH2結構域中的脂類結合口袋調節STAT3的二聚化。此外，小鼠胚胎成纖維細胞中的研究與HEK293A細胞研究結果類似，同樣證明細胞因子刺激可以促進STAT3的棕櫚酰化，而棕櫚酰化可能是細胞因子刺激的一種正反饋效應，能進一步促進STAT3的二聚化與激活。

高脂肪飲食（high-fatdiet，HFD）曾被證明可以增加遊離脂肪酸的水平，並與動物體內STAT3的激活和炎症有關。作者發現，與正常脂肪飲食（normal-fat diet，NFD）相比， HFD在小鼠肺和肝組織中顯著促進了STAT3的棕櫚酰化和磷酸化（圖2f），表明HFD能通過促進STAT3的磷酸化和棕櫚酰化來激活STAT3信號。外源性棕櫚酸能通過劑量依賴性方式上調STAT3的棕櫚酰化水平，並能誘導STAT3的二聚化，而NH2OH處理或棕櫚酰化位點突變（C687S）會幾乎完全抑制棕櫚酸處理導致的STAT3二聚化（圖2g-j）。此外，IL-6和棕櫚酸聯合處理可進一步增強STAT3的轉錄活性，而棕櫚酰化位點突變（C687S/C712S）會完全阻滯該效應。上述研究表明，棕櫚酸能夠激活STAT3，並與細胞因子協同作用，通過棕櫚酰化增加STAT3的轉錄活性；而受到脂肪酸和細胞因子刺激後，STAT3棕櫚酰化和磷酸化組成的正反饋調節信號能導致STAT3轉錄的強烈激活。 高脂肪飲食（high-fatdiet，HFD）曾被證明可以增加遊離脂肪酸的水平，並與動物體內STAT3的激活和炎症有關。作者發現，與正常脂肪飲食（normal-fat diet，NFD）相比， HFD在小鼠肺和肝組織中顯著促進了STAT3的棕櫚酰化和磷酸化（圖2f），表明HFD能通過促進STAT3的磷酸化和棕櫚酰化來激活STAT3信號。外源性棕櫚酸能通過劑量依賴性方式上調STAT3的棕櫚酰化水平，並能誘導STAT3的二聚化，而NH2OH處理或棕櫚酰化位點突變（C687S）會幾乎完全抑制棕櫚酸處理導致的STAT3二聚化（圖2g-j）。此外，IL-6和棕櫚酸聯合處理可進一步增強STAT3的轉錄活性，而棕櫚酰化位點突變（C687S/C712S）會完全阻滯該效應。上述研究表明，棕櫚酸能夠激活STAT3，並與細胞因子協同作用，通過棕櫚酰化增加STAT3的轉錄活性；而受到脂肪酸和細胞因子刺激後，STAT3棕櫚酰化和磷酸化組成的正反饋調節信號能導致STAT3轉錄的強烈激活。

STAT3的棕櫚酰化是如何被調控的呢？作者接下來對潛在的調控STAT3棕櫚酰化的棕櫚酰酰基轉移酶進行了篩選和鑑定，發現ZDHHC19與STAT3的棕櫚酰化活性一致，並能與STAT3結合。ZDHHC19敲低會抑制STAT3的棕櫚酰化水平，其敲除會導致IL-6及脂肪酸誘導的STAT3靶基因表達的缺失，證明ZDHHC19是調節STAT3棕櫚酰化的關鍵棕櫚酰化酶，而在棕櫚酸誘導的STAT3活化過程中，ZDHHC19是必不可少的。進一步研究發現，ZDHHC19在Pro18和Pro20附近含有高度保守的SH3結合位點，並能與JAK-STAT信號通路中組裝信號複合物的關鍵轉導蛋白GRB2的SH3結構域互作。在細胞因子的刺激下，GRB2可能作爲一個關鍵的適配蛋白，通過其SH3結構域將ZDHHC19引入膜複合物，並促進ZDHHC19-STAT3的高效結合和STAT3棕櫚酰化。 STAT3的棕櫚酰化是如何被調控的呢？作者接下來對潛在的調控STAT3棕櫚酰化的棕櫚酰酰基轉移酶進行了篩選和鑑定，發現ZDHHC19與STAT3的棕櫚酰化活性一致，並能與STAT3結合。ZDHHC19敲低會抑制STAT3的棕櫚酰化水平，其敲除會導致IL-6及脂肪酸誘導的STAT3靶基因表達的缺失，證明ZDHHC19是調節STAT3棕櫚酰化的關鍵棕櫚酰化酶，而在棕櫚酸誘導的STAT3活化過程中，ZDHHC19是必不可少的。進一步研究發現，ZDHHC19在Pro18和Pro20附近含有高度保守的SH3結合位點，並能與JAK-STAT信號通路中組裝信號複合物的關鍵轉導蛋白GRB2的SH3結構域互作。在細胞因子的刺激下，GRB2可能作爲一個關鍵的適配蛋白，通過其SH3結構域將ZDHHC19引入膜複合物，並促進ZDHHC19-STAT3的高效結合和STAT3棕櫚酰化。

作者隨後探究了ZDHHC19和ZDHHC19介導的STAT3棕櫚酰化在病理狀態下的作用。作者通過生物信息學分析發現ZDHHC19在基因組中定位於在多種癌症發生中表達上升的3q26-29擴增子上，與3q29擴增子中的STAT3靶基因BCL2和BCL2L1存在很強的相關性且與已知致癌基因呈共現性。ZDHHC19高表達與癌症患者生存質量差有顯著相關性，免疫組化實驗發現ZDHHC19蛋白表達水平上升與細胞核STAT3染色呈顯著相關（圖3a）。在一些肺鱗狀細胞癌（lung squamous cellcarcinoma，LSCC）細胞系中，敲低ZDHHC19表達會顯著抑制STAT3棕櫚酰化及其核定位，並能抑制細胞增殖及癌細胞轉移。LSCC細胞系腫瘤球的形成會伴隨着一些幹細胞標記物的高表達，而棕櫚酸處理會顯著促進KNS62細胞腫瘤球的形成，表明脂肪酸可以增強LSCC的幹細胞特性（圖3b，c）。在正常條件或棕櫚酸刺激下，STAT3或ZDHHC19的缺失會顯著抑制腫瘤球的形成。而STAT3C的異位表達可以挽救ZDHHC19敲低在腫瘤球形成中的抑制作用。上述結果表明，ZDHHC19-STAT3信號在維持LSCC幹細胞性上發揮了重要作用。通過在小鼠中構建HCC95細胞的異種移植模型，作者驗證了ZDHHC19在體內狀態下LSCC發生中的作用。研究發現ZDHHC19敲除可明顯抑制HFD誘導的腫瘤生長（圖3d），降低HFD誘導的STAT3棕櫚酰化、覈定位和靶基因表達，減少ki -67陽性增殖腫瘤細胞（圖3e）。而在ZDHHC19高表達LSCC患者來源的異種移植（PDX）模型中，HFD的攝入顯著促進了PDX腫瘤的生長（圖3f），並與STAT3靶基因表達上調、STAT3棕櫚酰化和核定位增加存在相關性。此外，棕櫚酸能顯著增強PDX來源的原代LSCC細胞中腫瘤球的形成，而抑制ZDHHC19的表達可以明顯抑制該增強趨勢（圖3f）。上述研究表明，ZDHHC19介導的STAT3棕櫚酰化在LSCC和HFD相關的體內腫瘤發生中發揮了重要作用。 作者隨後探究了ZDHHC19和ZDHHC19介導的STAT3棕櫚酰化在病理狀態下的作用。作者通過生物信息學分析發現ZDHHC19在基因組中定位於在多種癌症發生中表達上升的3q26-29擴增子上，與3q29擴增子中的STAT3靶基因BCL2和BCL2L1存在很強的相關性且與已知致癌基因呈共現性。ZDHHC19高表達與癌症患者生存質量差有顯著相關性，免疫組化實驗發現ZDHHC19蛋白表達水平上升與細胞核STAT3染色呈顯著相關（圖3a）。在一些肺鱗狀細胞癌（lung squamous cellcarcinoma，LSCC）細胞系中，敲低ZDHHC19表達會顯著抑制STAT3棕櫚酰化及其核定位，並能抑制細胞增殖及癌細胞轉移。LSCC細胞系腫瘤球的形成會伴隨着一些幹細胞標記物的高表達，而棕櫚酸處理會顯著促進KNS62細胞腫瘤球的形成，表明脂肪酸可以增強LSCC的幹細胞特性（圖3b，c）。在正常條件或棕櫚酸刺激下，STAT3或ZDHHC19的缺失會顯著抑制腫瘤球的形成。而STAT3C的異位表達可以挽救ZDHHC19敲低在腫瘤球形成中的抑制作用。上述結果表明，ZDHHC19-STAT3信號在維持LSCC幹細胞性上發揮了重要作用。通過在小鼠中構建HCC95細胞的異種移植模型，作者驗證了ZDHHC19在體內狀態下LSCC發生中的作用。研究發現ZDHHC19敲除可明顯抑制HFD誘導的腫瘤生長（圖3d），降低HFD誘導的STAT3棕櫚酰化、覈定位和靶基因表達，減少ki -67陽性增殖腫瘤細胞（圖3e）。而在ZDHHC19高表達LSCC患者來源的異種移植（PDX）模型中，HFD的攝入顯著促進了PDX腫瘤的生長（圖3f），並與STAT3靶基因表達上調、STAT3棕櫚酰化和核定位增加存在相關性。此外，棕櫚酸能顯著增強PDX來源的原代LSCC細胞中腫瘤球的形成，而抑制ZDHHC19的表達可以明顯抑制該增強趨勢（圖3f）。上述研究表明，ZDHHC19介導的STAT3棕櫚酰化在LSCC和HFD相關的體內腫瘤發生中發揮了重要作用。

圖3 ZDHHC19在LSCC中表達上升，並在體內和體外條件下促進腫瘤發生 圖3 ZDHHC19在LSCC中表達上升，並在體內和體外條件下促進腫瘤發生

綜上所述，本研究證明STAT3的S-棕櫚酰化對其同源二聚化、覈定位以及轉錄激活至關重要，棕櫚酰化和磷酸化修飾通過正反饋信號調控STAT3，進而促進脂肪酸誘導的STAT3活化和炎症發生。本文揭示了脂肪酸-ZDHHC19-STAT3信號軸在炎症信號及腫瘤發生中的作用，證明蛋白棕櫚酰化修飾在腫瘤發生中發揮了重要作用。 綜上所述，本研究證明STAT3的S-棕櫚酰化對其同源二聚化、覈定位以及轉錄激活至關重要，棕櫚酰化和磷酸化修飾通過正反饋信號調控STAT3，進而促進脂肪酸誘導的STAT3活化和炎症發生。本文揭示了脂肪酸-ZDHHC19-STAT3信號軸在炎症信號及腫瘤發生中的作用，證明蛋白棕櫚酰化修飾在腫瘤發生中發揮了重要作用。

研究背景研究背景

信號轉導因子和轉錄激活因子3（Signal transducer and activator of transcription 3, STAT3） 是一種進化上保守的轉錄因子STAT家族成員，在細胞命運決定、炎症發生和免疫調節等過程中發揮了重要作用。細胞因子和生長因子通過受體相關的Janus激酶（JAK）催化STAT3發生磷酸化，活化後的STAT3聚合成同源或異源二聚體，隨後入核與靶基因啓動子序列的特定位點結合，促進基因轉錄。 信號轉導因子和轉錄激活因子3（Signal transducer and activator of transcription 3, STAT3） 是一種進化上保守的轉錄因子STAT家族成員，在細胞命運決定、炎症發生和免疫調節等過程中發揮了重要作用。細胞因子和生長因子通過受體相關的Janus激酶（JAK）催化STAT3發生磷酸化，活化後的STAT3聚合成同源或異源二聚體，隨後入核與靶基因啓動子序列的特定位點結合，促進基因轉錄。

除研究較多的磷酸化、糖基化、乙酰化和泛素化等翻譯後修飾外，翻譯後的S-棕櫚酰化或S-脂肪酰化修飾能將脂肪酸（如棕櫚酸酯）通過硫酯鍵共價修飾附着在蛋白質的半胱氨酸殘基上，可以在正常生理和病理條件下調控蛋白轉運和細胞定位等多種過程。 除研究較多的磷酸化、糖基化、乙酰化和泛素化等翻譯後修飾外，翻譯後的S-棕櫚酰化或S-脂肪酰化修飾能將脂肪酸（如棕櫚酸酯）通過硫酯鍵共價修飾附着在蛋白質的半胱氨酸殘基上，可以在正常生理和病理條件下調控蛋白轉運和細胞定位等多種過程。

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