原標題:蛋白乙?;诨蚪M穩定性維護中發揮重要作用
摘要:組蛋白的乙?;街苯佑绊懼旧|結構,使它表現出最適物理化學特性,從而保證著遺傳物質順利地被復制。遺傳物質只有順利完整地被復制,生物同一種族間遺傳物質才會在數量上高度穩定,生物種族才得以延續。然而目前大量研究已經表明蛋白乙?;€包括大量非組蛋白乙?;?,還有許多更為復雜的作用。它們不僅僅影響著遺傳物質的傳遞和表達,還在DNA損傷修復中發揮重要作用。該文綜述列舉了大量組蛋白和非組蛋白乙?;睦?,并通過這些例子詳細闡述了蛋白乙?;诒3只蚪M穩定中發揮作用的機制。
關鍵詞:組蛋白乙?;?;非組蛋白乙?;?;基因組穩定性;DNA損傷;DNA修復
對于有機體,基因組的高度完整和穩定性十分重要,這種高度的完整性和穩定性一旦遭到破壞就會導致細胞增殖異?;蛩劳?,對于多細胞生物就會有嚴重疾病發生,例如癌癥,神經退行性疾病等。幾乎所有生物體都是通過細胞增殖時的DNA高保真復制和DNA損傷后及時有效修復來維持基因組的穩定性和完整性。前者的重要性已被人們熟知,而后者對于有機體來說同樣也是必不可少的。在細胞中電離輻射、紫外線、自由基、堿基類似物、烷化劑和病毒等各種物理、化學和生物因素都可以導致DNA損傷,這些損傷在復制叉通過前如不能及時有效修復,對細胞是致命的,尤其是DNA雙鏈斷裂。細胞一般運用堿基切除修復(base excision repair,BER),錯配修復(mismatch repair,MMR),核酸切除修復(nucleotide excision repair,NER),非同源末端連接(non-homologous endjoining,NHEJ),同源重組(homologous recombination,HR)等途徑來修復損傷,保證基因組穩定性。
組蛋白乙?;且环N被廣泛研究的蛋白修飾。DNA鏈是帶負電荷的,組蛋白N端帶正電荷的賴氨酸殘基被乙?;?,可以降低核小體與DNA作用力,從而可使染色質結構變松散,這種結構保證復制叉順利通過DNA鏈,完成復制過程。除此之外,組蛋白的乙?;诰S持基因組穩定性中的重要性還包括其在各DNA損傷修復途徑中的作用[1].然而,之間關系還不是很清晰。
除了組蛋白外,細胞內還存在大量的非組蛋白也可以被乙?;?,它們也在基因組穩定性維護中發揮著關鍵作用。目前,在腫瘤治療研究中,越來越多的研究人員開始關注HDAC酶活性的降低或抑制。已經有幾種HDAC抑制劑被應用到血液系統腫瘤和實體瘤的臨床治療中,例如,兩種HDIs(HDAC inhibitors),Vorinostat(SAHA)和Romidepsin,它們都是非特異性的抑制劑,可以抑制多種HDACs,已經被批準應用到皮膚T細胞淋巴瘤的治療[2].一般認為,HDIs之所以具有抗癌效果,是因為它們可以增強組蛋白乙?;?,調節改變基因表達。Ⅰ類HDACs通過調節組蛋白去乙?;绊懭旧|結構[3],但是HDAC6存在于細胞核以外,它的去乙?;孜锸欠墙M蛋白。無論是HDAC6的特異性抑制劑tubacin作用于細胞還是HDAC6的基因沉默都會導致新的DNA損傷或加重原有由其它抗癌藥物(如SAHA或依托泊苷)引起的DNA損傷,會使細胞內出現大量DSBs發生后早期的反應,如γH2AX,檢驗點蛋白Chk2被激活,DNA復制蛋白水平也會下調[2].因此,非組蛋白的乙?;皆诨蚪M穩定性維護中的作用是不能被忽視的,需要更多深入研究。
本文綜述通過列舉大量蛋白乙?;睦觼碓敿毥榻B組蛋白乙?;头墙M蛋白乙?;cDNA穩定性的關系,闡明其發揮作用的機制。
1調節染色質物理化學結構
組蛋白會通過乙?;降淖兓蛊淙旧|的物理化學結構更加有利于DNA在細胞生活的時期維護其穩定性。如,H4K16的乙?;c染色質結構變松散有關,可以被Hdac1和Hdac2去乙?;?。在S期時,Hdac1和Hdac2這兩種去乙?;缚梢酝ㄟ^與復制機器相互作用而被募集到復制叉上,如果這2種酶的去乙?;δ軉适苯訉е氯旧|上H4K16的乙?;潭壬?。這種高程度的乙?;瘯黾有律傻腄NA暴露程度,造成其對核酸酶水解作用的敏感性增加,以及降低復制叉前進速度,進而影響剛合成的染色質結構穩定性。而在DNA發生斷裂時,此位點乙?;謺l生相應變化。TIP60是組蛋白乙?;?,TIP60突變的細胞與TIP60功能正常的細胞相比,喪失了可以有效修復DSB的能力。表明,TIP60乙?;M蛋白的活性對于DSB修復至關重要,但是它用來促進修復的明確底物還不確定[4].但最近有大量研究發現,TIP60與輔因子TRRAP組成復合物乙?;疍SBs附近的H4K16[5],這樣可以使損傷位點附近染色質結構變松弛,來募集修復蛋白和促進HR.
與H4K16乙?;贒NA損傷修復時的調節作用相似,H3K36的乙?;谷旧|形成的松散結構,有利于DNA末端剪切,從而影響修復途徑選擇。我們已經知道,細胞發生雙鏈斷裂(double strand break,DSB)后,修復途徑的選擇會受多種因素影響,比如,細胞所處時期[6-7],斷裂末端的剪切程度及形成的單鏈DNA長度[8].而H3K36的修飾也會影響DSB修復途徑的選擇。被Set2甲基化的H3K36使染色質結構變得致密,會抑制損傷末端的剪切,從而促進NHEJ;被Gcn5乙?;蟮腍3K36反而會中和組蛋白上的正電荷,使DNA與組蛋白的結合強度變弱,染色質結構變松散,這就會使HR相關蛋白容易結合到染色質上并促進末端剪切,最終使細胞選擇HR.
2促進組蛋白重新結合
復制叉通過后,組蛋白乙?;降恼{控也是不可缺少的。組蛋白的乙?;梢詭椭坞x于周圍的組蛋白重新結合到新合成的染色質上,并在結合后迅速發生去乙?;?,使組蛋白像復制前一樣牢固地結合在染色質上。這種核小體與DNA鏈在復制叉通過之后的正常結合,也是復制叉可以順利前進的一個重要保障。因為若這一調控過程失敗,就會導致復制叉上游新合成的DNA結構不穩定甚至會形成異常結構,牽制復制叉前進,甚至使其發生崩潰,從而產生DNA鏈斷裂。而且,在復制重復性較高的序列時,復制叉會高頻率打滑而使復制的信息容易失真。
在Asf1存在時H3K56可以被Rtt109乙?;痆9].在S期,K56位點的乙?;切潞铣傻纳形唇Y合到核小體上的H3分子的標志,而當細胞進入G2/M期后,該修飾迅速消失[10].在S期,H3K56的乙?;谷旧|裝配因子CAF1和Rtt106可以識別并結合到H3-H4復合物。新合成的H3-H4只有與Rtt106和CAF1這2種因子結合后,才能被裝配到剛剛復制出來的DNA上。被Hat1乙?;腍4K91[11]及被Gcn5乙?;腍3的N端賴氨酸[12]在這個過程中也起到至關重要的作用。H3K56的突變會使核小體無法正常組裝,使前進的復制叉停滯崩潰[11],進而引發很多自發的DNA損傷。
H3K56的乙?;瘜τ诒3諨NA重復序列是非常重要的。它尤其可以防止CAG/CTG重復序列縮短。H3K56的乙?;哂羞@個功能正是因為它可以在復制叉附近促進核小體合理裝配,這既阻止了復制后異常DNA結構的形成又降低了復制叉受阻后復制機器打滑或崩潰的發生率[13].
還有研究顯示,DNA損傷藥物處理后H3K56的乙?;綍?,H3K56高水平的乙?;瘯е潞诵◇w重排,為DNA損傷應答和修復提供一個有利的染色質環境。Hst3/Hst4是sirtuin家族去乙?;?,可以將H3K56去乙?;?。H3K56如果不能被去乙?;矔邘茁收T發DNA自發損傷。所以它的乙?;秸{控,即乙?;腿ヒ阴;癄顟B之間及時有效更替對消除DNA損傷或復制壓力保持正常染色質結構促進基因組穩定都至關重要[10].這一點在酵母和哺乳動物中是高度保守的。
3充當特異性識別位點
乙?;稽c可充當識別標記,被多種染色質重塑蛋白和修復蛋白特異性識別并結合。這些都會促進和確保修復順利進行。
除上文提到的被染色質裝配因子CAF1和Rtt106識別的H3K56外,細胞內還存在大量乙?;稽c充當著識別位點的功能。H3K14就是其中一個。在酵母中,UV光損傷會導致H3K14乙?;?。H3K14的乙?;蛔阋愿淖兒诵◇w的脫離及再組裝等動力學特點。但是被乙?;揎椀脑撐稽c可以被Rsc2中串聯的溴結構域特異性識別并結合。Rsc2是RSC(Remodels the Structure of Chromatin)染色質重塑復合物的重要組成部分[14],也就是說乙?;腍3K14在充當一個“停泊位點”來將RSC固定在核小體上。RSC復合物可以依賴ATP提供的能量將組蛋白八聚體沿DNA鏈重新定位[15],還可以促使DNA隆起的形成和擴散,從而導致組蛋白與DNA的相互作用減弱。所有這些作用效果可以把埋藏在復雜染色質結構內部的損傷位點暴露出來,讓DNA損傷修復蛋白識別和感應[16].所以,H3K14的乙?;峭ㄟ^充當RSC復合物的識別位點,募集RSC復合物來打開緊密組裝的核小體,促進細胞對UV導致的環丁烷嘧啶二聚體的修復[17].
4影響蛋白質的穩定性和壽命
蛋白質的乙?;c蛋白的穩定性和壽命有密切關系。蛋白發揮作用之后,乙?;沟鞍着cDNA的相互作用變弱,并離開受損傷位點,之后這些蛋白被細胞通過自噬或直接被蛋白酶水解的方式消化,從而這些蛋白的作用被終止[18],否則,它們會繼續發揮作用,抑制后續的修復過程,使DNA損傷無法徹底修復。
PCNA(proliferating cell nuclear antigen)與DNA復制及損傷修復有密切關系。是一個同源三聚體,這三部分組裝成圓環形,環繞在DNA分子上,為各種在DNA復制和修復中發揮作用的酶類提供一個分子平臺[19-20].這些酶類中尤其包括在NER(nucleotide excision repair)中發揮作用的蛋白。CBP(CREB-binding protein)起主要作用,p300次之,將PCNA在K 13,K14,K77和K80乙?;?。乙?;蟮倪@幾個位點可以為泛素化酶充當識別標記,進而促進PCNA的單泛素化和多聚泛素化。正常情況下,在NER后,PCNA發生乙?;?,然后離開染色質,并被蛋白酶降解。乙?;饔脝适е翫NA復制和修復不能完全結束,使細胞對DNA損傷的藥物和紫外輻射敏感性增加,導致基因組不穩定[21-22].
與PCNA不同,Sae2是將蛋白乙?;c自噬聯系起來,還將這一關系與DSB修復及基因組穩定性相關聯。Sae2是一個重組相關蛋白,DSB后,它在修復過程中發揮重要作用。在修復過程的起始階段Mre11結合到斷裂處并對DNA末端進行剪切,待其發揮作用后,Sae2可以促進Mre11離開損傷部位,使后續過程順利進行[23].無論是用Ⅰ類和Ⅱ類HDACs抑制劑VPA處理細胞[24],還是直接突變Ⅰ類HDACs中的rpd3和Ⅱ類HDACs中的hda1都會導致Sae2的乙?;潭却蠓壬?,乙?;蟮腟ae2會被細胞以自噬的方式降解,細胞核內Sae2含量明顯降低。Sae2的減少直接導致Mre11由損傷處脫離滯后,進而嚴重影響了后續修復過程。剪切速度減慢,RPA-ss DNA形成受阻,Ddc2-Mec1復合物難以募集,10Kb的ss DNA無法形成并導致Rad53活性激活失敗,這樣同源重組過程中剪切和信號轉導都受到了破壞[25],同源重組將無法進行。