PAK1の低酸素誘導性アセチル化はATG5のリン酸化を介してオートファジーを増強し、脳腫瘍形成を促進する

Hypoxia-induced acetylation of PAK1 enhances autophagy and promotes brain tumorigenesis via phosphorylating ATG5.

• Xing Feng
• Heng Zhang
• Lingbing Meng
• Huiwen Song
• Qingxin Zhou
• Chao Qu
• Pan Zhao
• Qinghua Li
• Chang Zou
• Xing Liu
• Zhiyong Zhang

抄録

キナーゼ制御されたマクロオートファジー/オートファジーを標的とした脳腫瘍の治療法が研究されているが、オートファジー開始の正確なメカニズムや、神経膠芽腫（GBM）におけるオートファジーの意義については、まだ明らかにされていない。ここでは、PAK1（p21 [RAC1]活性化キナーゼ1）が有意にアップレギュレーションされ、GBMの発症を促進することを報告する。Cancer Genome Atlasの解析から、GBMにおけるPAK1の発がん性役割は主にオートファジーと関連していることが示唆された。その後の実験では、PAK1がGBMにおける低酸素誘導オートファジーの正のモジュレーターとして機能していることが示された。メカニズム的には、低酸素はELP3を介したPAK1のK420でのアセチル化を誘導し、それによってPAK1の二量体化を抑制し、その活性を高め、それによってPAK1を介したATG5（オートファジー関連5）のT101残基でのリン酸化を誘導する。この事象は、ATG5をユビキチン化依存性分解から保護するだけでなく、ATG12-ATG5複合体とATG16L1（オートファジー関連16様1）との間の親和性を高める。その結果、ELP3依存性のPAK1（K420）アセチル化とPAK1媒介のATG5（T101）リン酸化は、オートファゴソーム形成を促進することで、低酸素誘導オートファジーと脳腫瘍形成に必要であることが明らかになった。shRNAや低分子阻害剤FRAX597によるサイレンシングは、オートファジーとGBMの増殖を阻害する可能性がある。さらに、SIRT1が介在するK420位のPAK1脱アセチル化は、オートファジーとGBMの増殖を阻害する。臨床的には、PAK1（K420）のアセチル化レベルは、GBM 患者の ATG5（T101）リン酸化の発現と有意に相関しています。以上の結果から、PAK1 のアセチル化修飾およびキナーゼ活性が、低酸素誘導オートファジーの開始および GBM の増殖維持に重要な役割を果たしていることが明らかになりました。このことから、オートファジー経路におけるPAK1とその制御因子は、GBM治療の潜在的な治療標的となる可能性があると考えられる。3-MA：3-メチルアデニン；Ac-CoA：アセチルコエンザイムA；ATG5：オートファジー関連5；ATG16L1、オートファジー関連16様1；BafA：バフィロマイシンA；CDC42：細胞分裂サイクル42；CGGA。中国神経膠腫ゲノムアトラス；ＣＨＸ、シクロヘキシミド；ＥＬＰ３：伸長器アセチルトランスフェラーゼ複合体サブユニット３；ＧＢＭ、膠芽腫；ＨＢＳＳＳ：ハンクスバランス塩溶液；ＭＡＰ１ＬＣ３Ｂ／ＬＣ３．微小管関連タンパク質１軽鎖３β；ＭＡＰ２Ｋ１：マイトジェン活性化プロテインキナーゼキナーゼ１；ＭＡＰＫ１４、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ１４；ＰＡＫ１：ｐ２１（ＲＡＣ１）活性化キナーゼ１；ＰＤＫ１．ＰＤＫ１：ピルビン酸脱水素酵素キナーゼ１；ＰＧＫ１：ホスホグリセリン酸キナーゼ１；ＰＴＭｓ：翻訳後修飾；ＲＡＣ１：Ｒａｃファミリー小ＧＴＰアーゼ１；ＳＱＳＴＭ１：シークエストソーム１；ＴＣＧＡ：Ｔｈｅ Ｃａｎｃｅｒ Ｇｅｎｏｍｅ Ａｔｒａｔｏｍａｌ．

Although the treatment of brain tumors by targeting kinase-regulated macroautophagy/autophagy, is under investigation, the precise mechanism underlying autophagy initiation and its significance in glioblastoma (GBM) remains to be defined. Here, we report that PAK1 (p21 [RAC1] activated kinase 1) is significantly upregulated and promotes GBM development. The Cancer Genome Atlas analysis suggests that the oncogenic role of PAK1 in GBM is mainly associated with autophagy. Subsequent experiments demonstrate that PAK1 indeed serves as a positive modulator for hypoxia-induced autophagy in GBM. Mechanistically, hypoxia induces ELP3-mediated PAK1 acetylation at K420, which suppresses the dimerization of PAK1 and enhances its activity, thereby leading to subsequent PAK1-mediated ATG5 (autophagy related 5) phosphorylation at the T101 residue. This event not only protects ATG5 from ubiquitination-dependent degradation but also increases the affinity between the ATG12-ATG5 complex and ATG16L1 (autophagy related 16 like 1). Consequently, ELP3-dependent PAK1 (K420) acetylation and PAK1-mediated ATG5 (T101) phosphorylation are required for hypoxia-induced autophagy and brain tumorigenesis by promoting autophagosome formation. Silencing with shRNA or small molecule inhibitor FRAX597 potentially blocks autophagy and GBM growth. Furthermore, SIRT1-mediated PAK1-deacetylation at K420 hinders autophagy and GBM growth. Clinically, the levels of PAK1 (K420) acetylation significantly correlate with the expression of ATG5 (T101) phosphorylation in GBM patients. Together, this report uncovers that the acetylation modification and kinase activity of PAK1 plays an instrumental role in hypoxia-induced autophagy initiation and maintaining GBM growth. Therefore, PAK1 and its regulator in the autophagy pathway might represent potential therapeutic targets for GBM treatment. 3-MA: 3-methyladenine; Ac-CoA: acetyl coenzyme A; ATG5: autophagy related 5; ATG16L1, autophagy related 16 like 1; BafA: bafilomycin A; CDC42: cell division cycle 42; CGGA: Chinese Glioma Genome Atlas; CHX, cycloheximide; ELP3: elongator acetyltransferase complex subunit 3; GBM, glioblastoma; HBSS: Hanks balanced salts solution; MAP1LC3B/LC3: microtubule associated protein 1 light chain 3 beta; MAP2K1: mitogen-activated protein kinase kinase 1; MAPK14, mitogen-activated protein kinase 14; PAK1: p21 (RAC1) activated kinase 1; PDK1: pyruvate dehydrogenase kinase 1; PGK1, phosphoglycerate kinase 1; PTMs: post-translational modifications; RAC1: Rac family small GTPase 1; SQSTM1: sequestosome 1; TCGA, The Cancer Genome Atlas.