组蛋白泛素化与肿瘤

组蛋白泛素化与肿瘤 【摘要】组蛋白的甲基化和乙酰化修饰对基因转录作用已比较清楚,并明确其参与了肿瘤发生。对于组蛋白泛素化,近年来的研究认识明其对转录有双重作用与肿瘤发生关系密切。 【关键词】组蛋白泛素肿瘤 染色质中某些特殊基因异常表达和抑制可以引起肿瘤的发生。组蛋白作为表观遗传信息的主要载体,其末端氨基酸尾巴的共价修饰在控制染色体结构和调控基因转录中发挥着重要作用,是决定基因表达与否的控制开关[1]。其中对组蛋白甲基化和乙酰化作用机制了解已较清楚,并发现它们与肿瘤的发生相当密切[2~4]。早期体外实验观察到组蛋白泛素化与DNA 结合可阻止基因的转录,去除组蛋白泛素化后又能够恢复转录,但由于技术和认识上的不足,对组蛋白泛素化的过程及功能的了解非常有限。近年来,随着对组蛋白泛素化酶的认识逐渐加深,人们开始认识到组蛋白泛素化也是调节基因转录中不可或缺的环节,并且有着极其特殊的作用。 1 组蛋白密码 组蛋白分为5种,H1为连接组蛋白,对相邻核小体起连接作用;其它4种(H2A、H2B、H3、H4)共同构成核心组蛋白八聚体,并与其表面缠绕的146 bp DNA组成核小体,核心组蛋白N端富含碱性氨基酸,C-端富含疏水氨基酸,暴露在组蛋白表面,这些组蛋白尾部氨基酸残基特定位点可接受酶催化的翻译后修饰,这些修饰包括赖/精氨酸甲基化、精氨酸乙酰化、苏/丝氨酸磷酸化、以及赖氨酸泛素化等[2]。组蛋白-DNA的相互作用影响着转录。单一组蛋白的修饰往往不能独立地发挥作用,一种修饰的存在可以指导或抑制同一组蛋白上另一修饰的存在,形成一个修饰的级联。这些修饰可作为一种标志或语言,也被称为组蛋白密码,被一系列特定的蛋白所识别,从而将这种密码翻译成一种特定的染色质状态以实现对特定基因的调节。该假说认为:组蛋白尾部的各种修饰是具有位点特异性的,各种修饰相对独立,并且存在着“交叉对话”能够诱导出染色质的特定组成水平。因而不同组蛋白修饰之间的“交叉对话”既决定了组蛋白密码的特异性,又直接关系到组蛋白密码的多样性。组蛋白修饰作为一种重要的表观遗传标志,与某些非组蛋白相互关联,构成了一个调节基因转录的复杂网络[5,6]。 2 组蛋白泛素化 泛素作为一种含有76个氨基酸高度保守的蛋白质广泛存在于真核生物中,泛素—蛋白水解酶作为决定体内众多生化反应系统,具有快速、一过性、单向进行的特点,在细胞周期、凋亡、代谢调节、免疫应答、信号传递、转录控制、蛋白运输、应激应答、DNA修复等生命科学众多领域起到了中心的作用。尽管早在1975年,H2A就被作为第一种可被泛素化的蛋白质而发现,但不同于蛋白质降解中发生的多聚泛素化,组蛋白泛素化形式大多表现为单泛素化,人们对于单泛素化形式的功能却了解甚少。组蛋白泛素化非常特殊,也不同于其它组蛋白修饰形式,泛素化就是在组蛋白亚基多肽链C端处的赖氨酸残基上连接一个由76个氨基酸组成的泛素分子,已被证实H2A泛素化位点在C端的K119,H2B泛素化位点在C端的K120 (人类)或K123(酵母),在不同真核生物中,通常泛素化H2A(ubH2A)占H2A总量的5%~15%,而ubH2B占H2B总量的1%~2%。H1和H3也可以泛素化,但其具体位点尚未明确[7]。 3 组蛋白泛素化及其作用酶与基因转录 目前对组蛋白泛素化的研究主要集中在ubH2A和ubH2B。无疑对于组蛋白泛素化的理解,组蛋白泛素化酶的发现及其功能的认识起着关键作用。催化组蛋白修饰的酶对催化位点的识别具有特异性,因此可将其所携带的信息传递给组蛋白密码,从而对基因表达产生一种类似DNA密码的影响。尽管组蛋白修饰对转录过程的具体作用还没有完全明白,但越来越多证据表明这些修饰一起组成了组蛋白密码来调控染色质调节因子的募集。 目前认为组蛋白泛素化影响转录可能的机制有以下三种猜测:①组蛋白泛素化可以通过改变染色质结构,影响DNA暴露而调节转录;②其作为一种募集调节因子的信号而影响转录; ③通过影响其它组蛋白修饰而调节转录。在目前认识看来第三种机制可能性最大[7]。 由于泛素分子大小约为核心组蛋白的一半左右,组蛋白结合泛素可能会影响染色体机构,并阻止染色质折叠,从而影响转录。有实验证明在真核生物细胞周期中,G2~M期染色质浓缩时uH2A、uH2B消失,而在M~G1期染色质松解时则又出现,这种现象与上面的第一种看法相一致[7]。但在以后更多实验中这种认识未得到证实。 早期研究中发现组蛋白泛素化在大鼠、小鼠、鳟鱼、公鸡等动物精子发生期间被检测到。在小鼠精母细胞粗线期由性体组成的特殊染色质区域含有丰富的ubH2A,此后逐渐消失,但在精子延长阶段重新出现。在精子延长阶段出现的还有H2B和H3,泛素化连接酶HR6(酵母Rad6的同源蛋白质)可在体外促使H2B发生泛素化,并在睾丸中强烈表达,其缺失可使精子形成滞留于延长阶段,并导致不孕,这充分证明组蛋白泛素化在精子形成中起着重要作用,结合其他实验表明组蛋白泛素化作为一种重要表观遗传标记参与了雄性减数分裂细胞的染色质重构[8]。精子形成是由雄激素和雌激素受体调控的,这提示组蛋白泛素化和细胞核内受体(NR)间存在某种联系[9]。在哺乳动物的肿瘤细胞中,人们发现Rad6过度表达时,会导致细胞核多核化,有丝分裂异常,非整倍性和转化作用异常,中心体增倍等病理现象[10]。ubH2B还为DNA损失检查点反应所必需[11]。这些现象都提示组蛋白泛素化在生物遗传和基因转录方面起十分重要作用。 3.1 组蛋白泛素化与基因沉默 染色质可被特异性抑制,如异染色质的形成,另一个例子是在研究果蝇同源异型时发现的PC沉默。从现在研究看来,组蛋白泛素化对它们都有所影响。 活性X染色体属于常染色质,而失活的X染色体则以异染色质形式存在。Jia Fang等[12]和Mariana de Napoles等[13]在研究中发现,在胚胎发育早期,Xist RNA覆盖在被失活的X染色体上,募集沉默因子以调控Xi的表观遗传变化,作为研究表观遗传沉默的系统,以前认为X 染色体失活(Xi)的表观遗传沉默标志包括组蛋白甲基化、低乙酰化及CpG甲基化,现在看来ubH2A不仅是一种新的表观遗传沉默标志,ubH2A和其泛素连接酶Ring1b(属于PcG中PRC1蛋白)还参与了Xi的启动,但未有证据证实其参与Xi的维持。Ring1b作为一种PcG蛋白,不仅参与H2A泛素化,还在PcG沉默中与Eed-Ezh2相联系。实验中还注意到H3-K27三甲基化(H3-3mK27)是Xi的另一个标志,Ring1b/ubH2A出现在Ezh2后但在H3-3mK27之前,但Ring1b/ubH2A同Ezh2/ H3-3mK27间并未表现出相关性,Eed2也是属于PcG蛋白家族, 它通过调控H3-K27甲基化对基因印刻发挥作用,也调控着X染色体甲基化失活[14]。uH2A、X染色体失活和PCR1(属于PcG蛋白质)三者之间相互联系,可能是一种新的基因沉默机制[13]。 Hengbin Wang等[10]发现一种称为hPCR1L的H2A-K119泛素连接酶复合体中含有的Ring1、Ring2、Bmi1、HPH2,它们均为PcG蛋白,在HeLa细胞中降低dRing表达可降低ubH2A水平;并证实dRing和ubH2A在果蝇Ubx基因(一种非常有特征的PcG目标基因)PRE及启动子处聚集,导致其表达沉默。通过RNAi消除SL2组织培养细胞dRing会导致H2A泛素化水平剧烈降低和解除Ubx基因沉默。基因沉默是指基因组中的基因由于受遗传或外遗传因素的影响而表达降低或完全不表达的现象。基因沉默广泛存在于真菌、植物和动物中[15]。基因沉默的本质是一种由RNA介导的、序列特异性的获得性免疫反应,且基因沉默与获得性免疫反应一样,具有特异性、多样性、记忆性、可传递性等特征。除此之外,基因沉默还与生物的生长发育有关,它可能通过控制内源基因的表达来调控生长发育[16]。众所周知,PcG 蛋白是在研究果蝇Hox基因沉默时发现的,目前研究认为其作为一种多效性的发育调节因子,在维持基因表达的沉默状态,与细胞蛋白细胞增殖、分化有密切关联[17]。由此证明ubH2A 与Hox基因沉默相联系。Bmi1属于Pc基因组(PRC1蛋白)同时它还是癌基因,其蛋白作为转录抑制因子能保持特异靶基因抑制状态,为发育所必需,MAPK激活酶3通过磷酸化Bmi1来调节基因转录,其过度表达可导致淋巴瘤等恶性肿瘤的发生[18],因此当认识到ubH2A和PcG蛋白相联系是对理解ubH2A功能的重要里程碑。 3.2 组蛋白泛素化与基因转录 在组蛋白泛素化和组蛋白不同修饰之间“交叉对话”中所起的作用目前认识到ubH2B可以影响其他染色质的修饰如:乙酰化,甲基化等。有实验证实在鼠类动物的组蛋白去乙酰化酶6(mHDAC6)的C端锌指结构域可连接泛素,且其相关的蛋白也可以被泛素化,这提示组蛋白泛素化与乙酰化间可能存在潜在联系[19]。 H2B组蛋白泛素化对转录的影响既有促进方面,又有抑制方面的,这主要是通过其调控的组蛋白甲基化来实现的。泛素偶联酶Rad6被发现参与许多细胞活动,如基因沉默、DNA 修复、DNA损伤导致的突变、减数分裂、逆转录转座子的转座作用等,并可促使H2B-K123发生泛素化,这是H3发生甲基化的信号,其中之一是H3-K4 [20]。ubH2B促使H3发生甲基化的另一个位点是K79,由于在核小体上,H2B-K123与H3-K79位置相当接近,这可能是ubH2B-K123促进H3-K79甲基化的一个原因[21]。因此,组蛋白泛素化对转录的抑制作用主要发现异染色质区域,如端粒、结合型、rDNA座位等。Sir蛋白参与了这些区域的基因沉默,组蛋白泛素化促使H3-K4、-K79甲基化,这提示H3-K4和H3-K79甲基化通过阻止Sir蛋白作用活跃的常染色质区域,从而限制Sir蛋白对异染色质作用来维持基因沉默[7]。在某些常染色质基因,Rad6/ubH2B的沉默机制也有参与,如精氨酸琥珀酸合成酶基因ARG1[22]。图1中泛素连接酶Rad6促使H2B-K123发生泛素化修饰。通过某些机制ubH2B又促使H3-K4及-K79位点发生甲基化。这些H3甲基化修饰又再促进了端粒基因沉默。但对于这些组蛋白修饰是否发生于同一核小体尚不清楚,对于该区域的H2B是否全部泛素化也不明。另外,转录因子TFⅡD的成分TAFⅡ250被发现可促使H1泛素化,ubH1具体功能尚不明确,但其可能与转录相关[23]。 在组蛋白泛素化对促进的特殊基因转录中出现一个有趣的现象:在组蛋白甲基化或乙酰化这样的可逆性修饰中,甲基化(乙酰化)和去甲基化(去乙酰化)对基因转录的影响是完全相 反的,而组蛋白泛素化则表现不同。Rad6/ubH2B促进转录的基因多位于常染色质,如GAL1、UG2、PHO5。在对GAL1基因研究中发现,H2B泛素化促进H3-K36甲基化抑制H3-K4甲基化,而H2B去泛素化则相反[20,24]。两者出现在转录不同阶段中并都促进了转录,这可能是不同转录阶段需不同的位点甲基化所致。 Rad6/ubH2B在促进常染色体区域基因转录中如何发挥作用的,这个现在已有所了解。在酿酒酵母胚芽中,促使H3-K4和-K36甲基化的组蛋白甲基转移酶(HMTs)Set1 和Set2被认为与RNA聚合酶(RNA Pol Ⅱ)的高磷酸化相关。近来还观察到Paf1 转录延长复合体调控着H3-K4,-K79甲基化,去除Paf1导致H3-K4,-K79不可甲基化;如果去除Paf1或E3连接酶Bre1,同样也会导致H2B不可泛素化和抑制Rad6活动基因的启动及减少转录区的域聚集。我们有理由认为Rad6/ubH2B在转录以及组蛋白甲基化过程中存在某种机制:Rad6通过促使RNA Pol Ⅱ高磷酸化延长,而Paf1转录延长复合体和Bre1则在这个过程中起调节作用[25]。 4 展望 如同所有的酶一样,修饰组蛋白酶也可被特殊抑制因子所抑制,这些抑制因子潜在治疗作用非常大,尤其针对肿瘤等出现转录异常的疾病。不同于传统抗肿瘤药物作用机制,临床应用上组蛋白去乙酰化酶(HDACs)已经展现了非常好的疗效[26],这有理由让我们对影响组蛋白修饰的抗肿瘤药物研究抱有充足信心。泛素—蛋白酶以及组蛋白泛素化的研究近年来取得巨大的发展,充分证明人们对其重视程度及期望。目前关于组蛋白泛素化沉默机制的了解只是冰山的一角,随着研究的深入,其在生命活动中的作用一步步地显现,必然为人们在疾病控制中提供帮助。 【参考文献】 [1] JaskelioffM ,Craig L P. 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