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组蛋白翻译后修饰在DNA复制耦联的核小体组装及癌症发生中的作用机制

2023-12-13


1. 引言

核小体作为染色质的基本单元,由DNA和组蛋白组成。而组蛋白上可以发生多种翻译后修饰,这些修饰参与调控基因表达、DNA损伤修复、细胞周期进程等重要生理过程。组蛋白翻译后修饰异常常与肿瘤等疾病的发生密切相关。本篇公众号文章将重点讨论不同组蛋白翻译后修饰在DNA复制相关的核小体重新组装过程及癌症发生机制中的关键作用。

2. 组蛋白的主要翻译后修饰类型

翻译后修饰是指蛋白质合成后对氨基酸残基进行的共价修饰,主要包括乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化等。乙酰化发生在赖氨酸残基上,通过中和其正电荷影响蛋白质结构;甲基化主要发生在赖氨酸和精氨酸上;泛素化是通过在赖氨酸连接泛素小蛋白;磷酸化发生在丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸位点。这些修饰可特异性的定位到组蛋白如H3、H4尾部或者球状核心颗粒上的特定氨基酸残基,编码丰富的基因表达调控信息。组蛋白乙酰化首先被发现于1960年代,乙酰化位点分布很广,常见修饰位点有H3K9、H3K14、H3K18、H3K23、H3K27、H4K5、H4K8等(图1)。这些位点的乙酰化参与细胞的过程各有不同,例如H3K56乙酰化涉及核小体组装调控和染色质结构,而H4K16乙酰化调控基因转录激活。甲基化主要发生在H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79等位点上。大部分组蛋白发生单体泛素化而不是多泛素化。各种翻译后修饰之间通过组合扩展出极其复杂的语言系统,参与调控DNA复制、损伤修复、染色质重塑、信号转导等各种细胞生命活动。

 

图1. 组蛋白修饰的示意图。

 

核小体由一个H3-H4四聚体、两个H2A-H2B二聚体和周围的DNA组成。组蛋白尾部有许多修饰,包括组蛋白甲基化(Me)、乙酰化(Ac)、泛素化(Ub)和磷酸化(P)。

3. DNA复制相关的核小体组装过程

在DNA复制期间,父源核小体需要解聚,以让参与DNA复制的相关蛋白访问DNA。新合成的组蛋白在沉积到DNA上后再重新组装成核小体,这个过程称为DNA复制耦合的核小体组装(RCNA)(图2A)。同时,基因转录期间也存在无关DNA复制的核小体组装过程(RINA)(图2B)。这两个过程都需要特异性组蛋白修饰的协同参与完成组蛋白脱聚合、去除和重新沉积。

 

图2. RCNA和RINA示意图

 

(A) 复制耦合核小体组装(RCNA)。 为了让DNA复制机器有足够的空间,核小体必须被解组。然后,在前导链和滞后链上,核小体与DNA复制密切协同重新组装。 (B)与此相对的是,独立于复制的核小体组装(RINA)。 许多与核小体解组、DNA进入和核小体组装相关的核心原理可能同样适用于独立于复制的过程,如基因转录。

3. 组蛋白翻译后修饰在核小体组装过程中的多重作用

3.1 促进新合成组蛋白的沉积

新合成的H3和H4可在细胞质中发生乙酰化修饰,例如H3K56位点的乙酰化能增强其与染色质组装因子CAF-1和Rtt106的亲和力,促进组蛋白转运和沉积。Hat1能将乙酰基转移到H4K5和H4K12位点,而Rtt109能识别H3K56位点乙酰化从而引导泛素化。Rtt101属于泛素化酶,能与Mms1/Mms22形成复合物,This复合物能特异性识别H3K56乙酰化位点并在其周围区域形成泛素化修饰,这削弱其与Asf1的相互作用,进一步促进H3-H4的释放并转运到下游的CAF-1和Rtt106实施组蛋白沉积(图3)。Rtt106与CAF-1功能存在部分重叠,能直接与新合成的H3-H4四聚体结合。以上多重机制都意味着特定组蛋白翻译后修饰能促进从分子伴侣向染色质组装因子的有序转递,是RCNA过程的重要组成部分。

 

图3. 组蛋白修饰在酵母核小体组装中的功能。

新的H3-H4由乙酰转移酶Hat1/Hat2乙酰化,并且Asf1促进H3-H4K5/12ac的核内转运。随后,Rtt109-Vps75对H3K56的乙酰化促进了Rtt101Mms1/Mms22对H3K121/122/125的泛素化。经过修饰的H3-H4与Asf1解离,并呈现给分子伴侣Caf1和Rtt106,以将组蛋白沉积到DNA上进行核小体组装。

3.2 参与DNA损伤修复

H3K56乙酰化不仅促进新组蛋白的沉积,也是DNA损伤反应的重要标记。DNA损伤后,反应通路会下调其去乙酰化酶的活性,这意味着H3K56乙酰化在后续修复中起关键作用。例如,Rtt101/MMS22L-TONSL复合物能直接或间接识别H3K56乙酰化,并激活后续的泛素化和信号放大从而招募DNA重组酶等蛋白质进行损伤修复(图4)。此外,染色质组装因子CAF-1能直接与DNA重组酶结合,这也有助于损伤过渡部位的稳定。组蛋白泛素化在损伤识别和修复中也十分重要,在DNA双链断裂发生后H2A/H2B泛素化明显增加,反过来H3/H4泛素化的机制和作用机制还有待进一步阐明。

图4. 在哺乳动物中组蛋白修饰在核小体组装中的功能。

经过HAT1对K5和K12的H4乙酰化后,Asf1和Importin-4帮助H3-H4K5/12ac的核内转运。随后,乙酰转移酶p300/CBP催化H3K56的乙酰化,促使Cul4ADDB1对H3K122的泛素化。修饰后的H3-H4呈现给组蛋白伴侣CAF-1以组装核小体。

3.3 参与基因表达调控

除上述作用外,特定组蛋白翻译后修饰还广泛参与基因转录的激活和抑制。这主要通过影响染色质结构和DNA的打开状态改变转录活性。例如,H3和H4乙酰化能招募BDNF和PCAF等转录激活因子;EZH2能通过催化H3K27三甲基化实现基因沉默。这些机制都与细胞发育和多种疾病过程关系密切。

4. 组蛋白翻译后修饰异常与癌症发生

异常的组蛋白修饰酶或去修饰酶的表达常导致细胞凋亡和基因组稳定性丧失,与多种癌症的发生和发展密切相关。这方面研究主要基于下列三个方面:(1)组蛋白修饰酶及其靶点药物:主要的异常修饰及相关靶向药物包括H3K27甲基转移酶EZH2的抑制剂GSK126等,H3K79甲基转移酶DOT1L的靶向药物,以及组蛋白去乙酰化酶抑制剂SAHA等。这些药物可单独或联合使用,抑制肿瘤细胞增殖或逆转其耐药性(表1)。

 

表1. 人类癌症中编码组蛋白甲基转移酶的基因作用(部分)

 

(2)组蛋白基因本身的突变:越来越多HISTONE基因发生散发性点突变或缺失,这些位点和酶的异常会影响细胞周期调控、DNA损伤修复和细胞凋亡过程,是癌症发生的重要驱动因素。代表性的异常翻译后修饰及相关疾病包括H3K27M突变与胶质母细胞瘤发生相关。

 

(3)组蛋白修饰与非编码RNA及其他表观遗传调控过程的协同作用:异常的组蛋白修饰常与miRNA、lncRNA等非编码RNA表达调控异常相关联,共同影响病理性表观遗传谱系,这些机制与黑色素瘤和肺癌的发生等相关。同时,DNA甲基化等其他表观遗传机制与某些组蛋白修饰可能存在拮抗关系。这些研究表明组蛋白修饰异常在包括肿瘤在内的多种疾病中起关键驱动作用,但许多具体机制还有待深入挖掘。

5. 结论和展望

综上所述,组蛋白翻译后修饰通过影响新合成组蛋白的沉积和损伤修复部位的反应积累,在DNA复制相关的核小体组装过程中发挥关键作用;其异常常导致细胞凋亡和基因组失稳,与癌症等疾病的发生发展密切相关。深入理解调控染色质动态变化的复杂分子机制,将为相关疾病的诊断和治疗方法带来重大突破。

本文仅对文章内容进行总结和部分展示,如读者有兴趣可移步至原文观看。原文DOI号如下:https://doi.org/10.3390/ijms24054939.