組蛋白泛素化與腫瘤

組蛋白泛素化與腫瘤【摘要】組蛋白的甲基化和乙酰化修飾對基因轉錄作用已比較清楚，并明確其參與了腫瘤發(fā)生。對于組蛋白泛素化，近年來的研究認識表明其對轉錄有雙重作用與腫瘤發(fā)生關系密切?！娟P鍵詞】

組蛋白

泛素

腫瘤染色質中某些特殊基因異常表達和抑制可以引起腫瘤的發(fā)生。組蛋白作為表觀遺傳信息的主要載體，其末端氨基酸尾巴的共價修飾在控制染色體結構和調控基因轉錄中發(fā)揮著重要作用，是決定基因表達與否的控制開關 [1]。其中對組蛋白甲基化和乙?；饔脵C制了解已較清楚，并發(fā)現(xiàn)它們與腫瘤的發(fā)生相當密切 [2~4]。早期體外實驗觀察到組蛋白泛素化與DNA結合可阻止基因的轉錄，去除組蛋白泛素化后又能夠恢復轉錄，但由于技術和認識上的不足，對組蛋白泛素化的過程及功能的了解非常有限。 近年來，隨著對組蛋白泛素化酶的認識逐漸加深，人們開始認識到組蛋白泛素化也是調節(jié)基因轉錄中不可或缺的環(huán)節(jié)， 并且有著極其特殊的作用。組蛋白密碼組蛋白分為5種，H1為連接組蛋白，對相鄰核小體起連接作用；其它4種（H2A、H2B、H3、H4）共同構成核心組蛋白八聚體，并與其表面纏繞的146bpDNA組成核小體，核心組蛋白N端富含堿性氨基酸，C-端富含疏水氨基酸，暴露在組蛋白表面，這些組蛋白尾部氨基酸殘基特定位點可接受酶催化的翻譯后修飾,這些修飾包括賴/精氨酸甲基化、精氨酸乙?；⑻K/絲氨酸磷酸化、以及賴氨酸泛素化等[2]。組蛋白-DNA的相互作用影響著轉錄。單一組蛋白的修飾往往不能獨立地發(fā)揮作用，一種修飾的存在可以指導或抑制同一組蛋白上另一修飾的存在，形成一個修飾的級聯(lián)。這些修飾可作為一種標志或語言，也被稱為組蛋白密碼，被一系列特定的蛋白所識別，從而將這種密碼翻譯成一種特定的染色質狀態(tài)以實現(xiàn)對特定基因的調節(jié)。該假說認為：組蛋白尾部的各種修飾是具有位點特異性的，各種修飾相對獨立，并且存在著“交叉對話”能夠誘導出染色質的特定組成水平。因而不同組蛋白修飾之間的“交叉對話”既決定了組蛋白密碼的特異性，又直接關系到組蛋白密碼的多樣性。組蛋白修飾作為一種重要的表觀遺傳標志，與某些非組蛋白相互關聯(lián)，構成了一個調節(jié)基因轉錄的復雜網(wǎng)絡[5，6]。組蛋白泛素化泛素作為一種含有76個氨基酸高度保守的蛋白質廣泛存在于真核生物中，泛素—蛋白水解酶作為決定體內眾多生化反應系統(tǒng)，具有快速、一過性、單向進行的特點，在細胞周期、凋亡、代謝調節(jié)、免疫應答、信號傳遞、轉錄控制、蛋白運輸、應激應答、DNA修復等生命科學眾多領域起到了中心的作用。盡管早在1975年，H2A就被作為第一種可被泛素化的蛋白質而發(fā)現(xiàn)，但不同于蛋白質降解中發(fā)生的多聚泛素化，組蛋白泛素化形式大多表現(xiàn)為單泛素化，人們對于單泛素化形式的功能卻了解甚少。組蛋白泛素化非常特殊，也不同于其它組蛋白修飾形式，泛素化就是在組蛋白亞基多肽鏈C端處的賴氨酸殘基上連接一個由76個氨基酸組成的泛素分子,已被證實H2A泛素化位點在C端的K119,H2B泛素化位點在C端的K120（人類）或K123（酵母），在不同真核生物中，通常泛素化H2A(ubH2A)占H2A總量的5%~15%，而ubH2B占H2B總量的1%~2%。H1和H3也可以泛素化，但其具體位點尚未明確。組蛋白泛素化及其作用酶與基因轉錄目前對組蛋白泛素化的研究主要集中在 ubH2A和ubH2B。無疑對于組蛋白泛素化的理解，組蛋白泛素化酶的發(fā)現(xiàn)及其功能的認識起著關鍵作用。 催化組蛋白修飾的酶對催化位點的識別具有特異性，因此可將其所攜帶的信息傳遞給組蛋白密碼，從而對基因表達產(chǎn)生一種類似DNA密碼的影響。盡管組蛋白修飾對轉錄過程的具體作用還沒有完全明白，但越來越多證據(jù)表明這些修飾一起組成了組蛋白密碼來調控染色質調節(jié)因子的募集。目前認為組蛋白泛素化影響轉錄可能的機制有以下三種猜測：①組蛋白泛素化可以通過改變染色質結構，影響DNA暴露而調節(jié)轉錄；②其作為一種募集調節(jié)因子的信號而影響轉錄；③通過影響其它組蛋白修飾而調節(jié)轉錄。在目前認識看來第三種機制可能性最大 [7]。由于泛素分子大小約為核心組蛋白的一半左右， 組蛋白結合泛素可能會影響染色體機構，并阻止染色質折疊，從而影響轉錄。有實驗證明在真核生物細胞周期中， G2~M期染色質濃縮時uH2A、uH2B消失，而在Ｍ~Ｇ1期染色質松解時則又出現(xiàn)，這種現(xiàn)象與上面的第一種看法相一致[7]。但在以后更多實驗中這種認識未得到證實。早期研究中發(fā)現(xiàn)組蛋白泛素化在大鼠、小鼠、鱒魚、公雞等動物精子發(fā)生期間被檢測到。在小鼠精母細胞粗線期由性體組成的特殊染色質區(qū)域含有豐富的ubH2A,此后逐漸消失，但在精子延長階段重新出現(xiàn)。在精子延長階段出現(xiàn)的還有H2B和H3，泛素化連接酶HR6（酵母Rad6的同源蛋白質）可在體外促使H2B發(fā)生泛素化，并在睪丸中強烈表達，其缺失可使精子形成滯留于延長階段，并導致不孕，這充分證明組蛋白泛素化在精子形成中起著重要作用，結合其他實驗表明組蛋白泛素化作為一種重要表觀遺傳標記參與了雄性減數(shù)分裂細胞的染色質重構[8]。精子形成是由雄激素和雌激素受體調控的，這提示組蛋白泛素化和細胞核內受體（NR）間存在某種聯(lián)系 [9]。在哺乳動物的腫瘤細胞中，人們發(fā)現(xiàn) Rad6過度表達時，會導致細胞核多核化，有絲分裂異常，非整倍性和轉化作用異常，中心體增倍等病理現(xiàn)象[10]。ubH2B還為DNA損失檢查點反應所必需[11]。這些現(xiàn)象都提示組蛋白泛素化在生物遺傳和基因轉錄方面起十分重要作用。3．1組蛋白泛素化與基因沉默染色質可被特異性抑制，如異染色質的形成，另一個例子是在研究果蠅同源異型時發(fā)現(xiàn)的PC沉默。從現(xiàn)在研究看來，組蛋白泛素化對它們都有所影響。活性X染色體屬于常染色質，而失活的 X染色體則以異染色質形式存在。 JiaFang等[12]和Mariana deNapoles等[13]在研究中發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育早期， XistRNA覆蓋在被失活的 X染色體上，募集沉默因子以調控 Xi的表觀遺傳變化，作為研究表觀遺傳沉默的系統(tǒng)，以前認為X染色體失活（Xi）的表觀遺傳沉默標志包括組蛋白甲基化、低乙酰化及 CpG甲基化，現(xiàn)在看來 ubH2A不僅是一種新的表觀遺傳沉默標志， ubH2A和其泛素連接酶 Ring1b（屬于PcG中PRC1蛋白）還參與了 Xi的啟動，但未有證據(jù)證實其參與 Xi的維持。Ring1b作為一種PcG蛋白，不僅參與H2A泛素化，還在PcG沉默中與Eed-Ezh2相聯(lián)系。實驗中還注意到H3-K27三甲基化（H3-3mK27）是Xi的另一個標志，Ring1b/ubH2A出現(xiàn)在Ezh2后但在H3-3mK27之前，但Ring1b/ubH2A同Ezh2/H3-3mK27間并未表現(xiàn)出相關性，Eed2也是屬于PcG蛋白家族，它通過調控H3-K27甲基化對基因印刻發(fā)揮作用，也調控著X染色體甲基化失活[14]。uH2A、X染色體失活和 PCR1(屬于PcG蛋白質)三者之間相互聯(lián)系，可能是一種新的基因沉默機制 [13]。HengbinWang等[10]發(fā)現(xiàn)一種稱為 hPCR1L的H2A-K119泛素連接酶復合體中含有的Ring1、Ring2、Bmi1、HPH2，它們均為PcG蛋白，在HeLa細胞中降低dRing表達可降低ubH2A水平；并證實dRing和ubH2A在果蠅Ubx基因（一種非常有特征的PcG目標基因）PRE及啟動子處聚集，導致其表達沉默。通過RNAi消除SL2組織培養(yǎng)細胞dRing會導致H2A泛素化水平劇烈降低和解除Ubx基因沉默。基因沉默是指基因組中的基因由于受遺傳或外遺傳因素的影響而表達降低或完全不表達的現(xiàn)象。基因沉默廣泛存在于真菌、植物和動物中[15]?；虺聊谋举|是一種由RNA介導的、序列特異性的獲得性免疫反應，且基因沉默與獲得性免疫反應一樣，具有特異性、多樣性、記憶性、可傳遞性等特征。除此之外，基因沉默還與生物的生長發(fā)育有關，它可能通過控制內源基因的表達來調控生長發(fā)育[16]。眾所周知，PcG蛋白是在研究果蠅Hox基因沉默時發(fā)現(xiàn)的，目前研究認為其作為一種多效性的發(fā)育調節(jié)因子，在維持基因表達的沉默狀態(tài)，與細胞蛋白細胞增殖、分化有密切關聯(lián)[17]。由此證明ubH2A與Hox基因沉默相聯(lián)系。Bmi1屬于Pc基因組（PRC1蛋白）同時它還是癌基因，其蛋白作為轉錄抑制因子能保持特異靶基因抑制狀態(tài)，為發(fā)育所必需，MAPK激活酶3通過磷酸化Bmi1來調節(jié)基因轉錄，其過度表達可導致淋巴瘤等惡性腫瘤的發(fā)生[18]，因此當認識到ubH2A和PcG蛋白相聯(lián)系是對理解ubH2A功能的重要里程碑。3．2組蛋白泛素化與基因轉錄在組蛋白泛素化和組蛋白不同修飾之間“交叉對話”中所起的作用目前認識到ubH2B可以影響其他染色質的修飾如：乙酰化，甲基化等。有實驗證實在鼠類動物的組蛋白去乙?；?（mHDAC6）的C端鋅指結構域可連接泛素，且其相關的蛋白也可以被泛素化，這提示組蛋白泛素化與乙酰化間可能存在潛在聯(lián)系[19]。H2B組蛋白泛素化對轉錄的影響既有促進方面，又有抑制方面的，這主要是通過其調控的組蛋白甲基化來實現(xiàn)的。泛素偶聯(lián)酶Rad6被發(fā)現(xiàn)參與許多細胞活動，如基因沉默、DNA修復、DNA損傷導致的突變、減數(shù)分裂、逆轉錄轉座子的轉座作用等，并可促使H2B-K123發(fā)生泛素化，這是H3發(fā)生甲基化的信號，其中之一是H3-K4[20]。ubH2B促使H3發(fā)生甲基化的另一個位點是K79，由于在核小體上，H2B-K123與H3-K79位置相當接近，這可能是ubH2B-K123促進H3-K79甲基化的一個原因[21]。因此，組蛋白泛素化對轉錄的抑制作用主要發(fā)現(xiàn)異染色質區(qū)域，如端粒、結合型、rDNA座位等。Sir蛋白參與了這些區(qū)域的基因沉默，組蛋白泛素化促使H3-K4、-K79甲基化，這提示H3-K4和H3-K79甲基化通過阻止Sir蛋白作用活躍的常染色質區(qū)域，從而限制Sir蛋白對異染色質作用來維持基因沉默[7]。在某些常染色質基因，Rad6/ubH2B的沉默機制也有參與，如精氨酸琥珀酸合成酶基因ARG1[22]。圖1中泛素連接酶Rad6促使H2B-K123發(fā)生泛素化修飾。通過某些機制ubH2B又促使H3-K4及-K79位點發(fā)生甲基化。這些H3甲基化修飾又再促進了端?；虺聊?。但對于這些組蛋白修飾是否發(fā)生于同一核小體尚不清楚，對于該區(qū)域的H2B是否全部泛素化也不明。另外，轉錄因子TFⅡD的成分TAFⅡ250被發(fā)現(xiàn)可促使H1泛素化，ubH1具體功能尚不明確，但其可能與轉錄相關[23]。在組蛋白泛素化對促進的特殊基因轉錄中出現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象： 在組蛋白甲基化或乙?；@樣的可逆性修飾中，甲基化（乙?；┖腿ゼ谆ㄈヒ阴；蜣D錄的影響是完全相反的，而組蛋白泛素化則表現(xiàn)不同。 Rad6/ubH2B促進轉錄的基因多位于常染色質，如GAL1、UG2、PHO5。在對GAL1基因研究中發(fā)現(xiàn)， H2B泛素化促進 H3-K36甲基化抑制 H3-K4甲基化，而H2B去泛素化則相反[20，24]。兩者出現(xiàn)在轉錄不同階段中并都促進了轉錄，這可能是不同轉錄階段需不同的位點甲基化所致。Rad6/ubH2B在促進常染色體區(qū)域基因轉錄中如何發(fā)揮作用的，這個答案現(xiàn)在已有所了解。在釀酒酵母胚芽中，促使H3-K4和-K36甲基化的組蛋白甲基轉移酶（HMTs）Set1和Set2被認為與RNA聚合酶（RNAPolⅡ）的高磷酸化相關。近來還觀察到Paf1轉錄延長復合體調控著H3-K4，-K79甲基化，去除Paf1導致H3-K4，-K79不可甲基化；如果去除Paf1或E3連接酶Bre1，同樣也會導致H2B不可泛素化和抑制Rad6活動基因的啟動及減少轉錄區(qū)的域聚集。我們有理由認為Rad6/ubH2B在轉錄以及組蛋白甲基化過程中存在某種機制：Rad6通過促使RNAPolⅡ高磷酸化延長，而 Paf1轉錄延長復合體和 Bre1則在這個過程中起調節(jié)作用[25]。4展望如同所有的酶一樣，修飾組蛋白酶也可被特殊抑制因子所抑制，這些抑制因子潛在治療作用非常大，尤其針對腫瘤等出現(xiàn)轉錄異常的疾病。不同于傳統(tǒng)抗腫瘤藥物作用機制，臨床應用上組蛋白去乙?；?HDACs)已經(jīng)展現(xiàn)了非常好的療效[26]，這有理由讓我們對影響組蛋白修飾的抗腫瘤藥物研究抱有充足信心。泛素—蛋白酶以及組蛋白泛素化的研究近年來取得巨大的發(fā)展，充分證明人們對其重視程度及期望。目前關于組蛋白泛素化沉默機制的了解只是冰山的一角，隨著研究的深入，其在生命活動中的作用一步步地顯現(xiàn)，必然為人們在疾病控制中提供幫助?！緟⒖嘉墨I】JaskelioffM,CraigLP.Chromatinandtranscriptionhistonecontinuetomaketheirmark[J].NatureCellBiology,2003,5:395-399.HakeSB,XiaoA,AllisCD.Linkingtheepigenetic“l(fā)anguage”ofcovalenthistonemodificationstocancer[J].BritishJournalofCancer，2004,90：761-769.KimKC,GengLQ,HuangS.Inactivationofahistonemethyltransferasebymutationsinhumancancers[J].CancerResearch,2003,63:7619-7623.MarksPA,RifkindRA,RichonVM,etal.Histonedeacetylasesandcancer:causesandtherapies[J].NatureReviewCancer,2001,1:194-202.SpotswoodHT,TurnerBM.Anincreasinglycomplexcode[J].JClinInvest,2002,110:577-582.JenuweinT,DavidAllisC.Translatingthehistonecode[J].Science,2001,293:1074-1080.ZhangY.Transcriptionalregulationbyhistoneubiquitinationanddeubiquitination[J].Genes&Development,2003,17:2733-2740.GovinJ,CaronC,LestratC,etal.Theroleofhistonesinchromatinremodellingduringmammalianspermiogenesis[J].EurJBiochem,2004,271:3459-3469.[9]KinyamuHK,ChenJ,ArcherTK.Linkingtheubiquitin-proteasome 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