組蛋白泛素化
1. 什么是組蛋白泛素化？
將一個(gè)由76個(gè)氨基酸組成的泛素（Ub）部分連接到組蛋白的賴(lài)氨酸殘基上的過(guò)程被稱(chēng)為組蛋白泛素化。組蛋白泛素化包括組蛋白單泛素化和組蛋白多泛素化，具體取決于連接到組蛋白上的泛素（Ub）部分的數(shù)量。組蛋白，特別是H2A和H2B，主要發(fā)生單泛素化，這是一個(gè)可逆的過(guò)程，改變了組蛋白的質(zhì)量并影響了核小體的動(dòng)態(tài)。然而，組蛋白多泛素化生成了一個(gè)不可逆的信號(hào)，用于蛋白酶體介導(dǎo)的降解。
在大多數(shù)較高等的真核生物中，約5%-15%的總H2A蛋白被泛素化，而H2B泛素化水平占1%-1.5% [1,2]。在酵母菌Saccharomyces cerevisiae中，約有10%的H2B被泛素化，而H2A的泛素化水平無(wú)法檢測(cè)到 [2,3]。
組蛋白H2A主要在賴(lài)氨酸119（H2AK119ub1）處被泛素化，而H2B的主要泛素化位點(diǎn)是在酵母菌中的賴(lài)氨酸123（H2BK123ub1），在哺乳動(dòng)物中的是賴(lài)氨酸120（H2BK120ub1）[1,2]。染色質(zhì)免疫沉淀（ChIP）實(shí)驗(yàn)顯示，單泛素化的H2A主要集中在基因組的衛(wèi)星區(qū)域，而H2Bub則定位在活躍基因的體部。
除了H2A和H2B，泛素修飾還已經(jīng)在核心組蛋白H3、H4和連接組蛋白H1上被報(bào)道。例如，在紫外線(xiàn)照射后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)CUL4-DDB-RBX1泛素連接酶復(fù)合物在體內(nèi)對(duì)H3和H4進(jìn)行多泛素化 [4]。
2. 組蛋白泛素化的機(jī)制
泛素首先與E1酶結(jié)合，并通過(guò)在其C端甘氨酸和E1的活性半胱氨酸殘基之間形成硫酯鍵的方式以ATP依賴(lài)的方式被激活。接下來(lái)，激活的泛素通過(guò)硫酯鍵與泛素結(jié)合的方式轉(zhuǎn)移到E2酶。最后，E2與一個(gè)E3泛素連接酶相互作用，該酶將泛素共價(jià)連接到組蛋白的目標(biāo)賴(lài)氨酸殘基上。E3泛素連接酶的功能是將E2-泛素復(fù)合物定位到目標(biāo)賴(lài)氨酸附近。
圖1. 組蛋白單泛素化的過(guò)程
3. 組蛋白泛素化酶
組蛋白泛素化是一個(gè)經(jīng)過(guò)精密調(diào)控的過(guò)程，涉及E1激活酶、E2結(jié)合酶和E3連接酶。這些步驟最終導(dǎo)致泛素（Ub）與組蛋白蛋白上的一個(gè)賴(lài)氨酸（Lys）殘基形成共價(jià)鍵。
組蛋白泛素化是一個(gè)可逆的過(guò)程。去泛素化酶（DUBs）從泛素化的組蛋白上的賴(lài)氨酸殘基上去除泛素。
| 酶 | 物種 | 組蛋白特異性 | 酶活 | 在轉(zhuǎn)錄中的作用 |
|---|---|---|---|---|
| RING1A/RING1B/BMI1 | Human | H2A | E3 | 抑制 |
| 2A-HUB | Human | H2A | E3 | 抑制 |
| BRCA1/BARD1 | Human | H2A | E3 | 抑制 |
| UbcH5c | Human | H2A | E2 | N/A |
| Bre1 | Yeast | H2B | E3 | 激活 |
| Rad6 | Yeast | H2B | E2 | 激活 |
| RNF20/RNF40 | Human | H2B | E3 | 激活 |
| RAD6A/RAD6B | Human | H2B | E2 | 激活 |
| UbcH6 | Human | H2B | E2 | 激活 |
| USP16 | Human | H2A | DUB | 激活 |
| USP21 | Human | H2A | DUB | 激活 |
| 2A-DUB | Human | H2A | DUB | 激活 |
| BAP1 | Human/Drosophila | H2A | DUB | 激活 |
| Ubp8 | Yeast | H2B | DUB | 激活 |
| Ubp10 | Yeast | H2B | DUB | 抑制 |
| Ubp7 | Drosophila | H2B | DUB | 抑制 |
| SCNY | Drosophila | H2B | DUB | 抑制 |
| UBP12/UBP46 | Xenopus | H2A H2B | DUB | 激活 |
| USP3 | Human | H2A H2B | DUB | N/A |
| USP22 | Human | H2A H2B | DUB | 激活 |
| BAP1 | Human/Drosophila | H2A | DUB | 激活 |
| Ubp8 | Yeast | H2B | DUB | 激活 |
表1: 單泛素化組蛋白修飾酶的功能。
該信息引用自：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3355875/
與其他類(lèi)型的組蛋白修飾讀取因子不同，泛素化組蛋白讀取因子之間沒(méi)有共享的結(jié)構(gòu)域或結(jié)構(gòu)模體。
| 修飾 | 讀取蛋白 |
|---|---|
| H2AK119ub1 | PRC1, PRC2, RSF1, DNMT3A, ZRF1 |
| H2AK13/15ub1 | 53BP1, RNF169, RAD18, BARD1 |
| H2AK127/129ub1 | SMARCAD1, USP48 |
| H2BK120ub1 | Dot1L, COMPASS, MLL complexes, FACT, SWI/SNF, Chd1 |
| H2BK18/23ub1 | DNMT1 |
| H3K14ub1 | Clr4/SUV39H1 |
| H3K23/36/37ub1 | Gcn5 |
表2：組蛋白泛素化位點(diǎn)及相應(yīng)的讀取蛋白。
該表格信息來(lái)源于：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2022.968398/full
4. 組蛋白泛素化的功能
由于組蛋白是最常見(jiàn)的泛素化蛋白，它們的泛素化在幾乎所有DNA相關(guān)過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，例如轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)和延伸、維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制和DNA修復(fù)。這些多樣的影響主要取決于與染色質(zhì)相關(guān)的組蛋白泛素化的位點(diǎn)特異性識(shí)別因子。
單泛素化組蛋白可以引發(fā)基因的激活和抑制，而多泛素化則為它們標(biāo)記了蛋白酶體介導(dǎo)的降解。
H2A119ub1 調(diào)節(jié)組織特異性位點(diǎn)、非活性女性X染色體上的基因抑制，或者在DNA損傷區(qū)域。H2AK119泛素化還參與了連接組蛋白H1結(jié)合到核小體上 [5]，Polycomb沉默 [6] 和雌性哺乳動(dòng)物X染色體失活 [7]。
H2Bub1 參與轉(zhuǎn)錄激活和延伸、DNA損傷應(yīng)答（DDR）和干細(xì)胞可塑性。在釀酒酵母和人類(lèi)細(xì)胞中，H2Bub1 是H3K4和H3K79甲基化的前提條件 [8,9]。研究表明，H2Bub1 直接增強(qiáng)了DOT1L甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，從而促使了酵母和人類(lèi)模型中H3K79甲基化的促進(jìn)。
組蛋白泛素化還參與了精子形成，并在精子發(fā)生過(guò)程中起到了去除核小體的重要作用。
5. 組蛋白泛素化與其他組蛋白修飾的相互作用
組蛋白泛素化與其他組蛋白修飾之間的相互作用構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)治著染色質(zhì)動(dòng)態(tài)和基因表達(dá)。
已經(jīng)證明組蛋白賴(lài)氨酸甲基化可以被組蛋白泛素化或組蛋白泛素化修飾酶交叉調(diào)控。單泛素化的H2A被PRC2識(shí)別，引發(fā)H3K27甲基化 [13]。這會(huì)招募SETDB1進(jìn)行H3K9三甲基化，錨定染色質(zhì)緊縮蛋白，如HP1 [14,15]。三甲基化的H3K27會(huì)吸引更多的PRC1，通過(guò)H2A修飾開(kāi)始穩(wěn)定的遠(yuǎn)程信號(hào)傳遞 [16]。H2B的單泛素化觸發(fā)DOT1L對(duì)組蛋白H3的K79位點(diǎn)進(jìn)行甲基化，隨后通過(guò)MLL增強(qiáng)H3K4甲基化，促使轉(zhuǎn)錄激活因子的招募 [17]。
組蛋白泛素化還與DNA損傷應(yīng)答中的賴(lài)氨酸乙酰化相互作用。敲除賴(lài)氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶KAT5（TIP60）或PCAF導(dǎo)致H2B的賴(lài)氨酸120位點(diǎn)（H2BK120ac）的乙酰化減少，伴隨著H2BK120的泛素化增加，以應(yīng)答DNA損傷 [10]。EP300對(duì)H3K9me2脫甲基化酶JMJD1A進(jìn)行乙酰化，阻止了STUB1介導(dǎo)的多泛素化，從而保持了JMJD1A水平 [11]。H2B的單泛素化還與H3甲基化相互作用，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄和端粒沉默。
在染色質(zhì)控制中，泛素化與磷酸化之間存在相互關(guān)系。EGFR通過(guò)RNF8-UBE2L6使賴(lài)氨酸48-鏈接的多泛素化鏈附著到H3K4，導(dǎo)致H3的降解 [12]。當(dāng)H3.3的蘇氨酸11（H3.3T11ph）突變?yōu)楸彼釙r(shí)，磷酸化和泛素化均被阻斷。在由電離輻射（IR）引發(fā)的DNA損傷信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中，組蛋白磷酸化和泛素化相互協(xié)同作用。
6. 組蛋白泛素化與疾病
組蛋白泛素化或去泛素化的失調(diào)被視為各種人類(lèi)疾病的致病因素，包括與大腦有關(guān)的疾病和癌癥相關(guān)的疾病。
影響調(diào)節(jié)H2Aub水平的各個(gè)組分的突變與多種綜合征和大腦相關(guān)的障礙相關(guān)。例如，AUTS2基因內(nèi)的突變與自閉癥和智力障礙相關(guān)。PHC1的缺陷與大腦發(fā)育障礙相關(guān)，例如常染色體隱性原發(fā)性小頭癥。與H2A泛素化水平受損相關(guān)的PHC1突變與細(xì)胞周期進(jìn)展受損和DNA修復(fù)機(jī)制受損相關(guān)。
PRC1的喪失與生命不相容。干擾PRC1活性的突變導(dǎo)致小頭癥或?qū)W習(xí)障礙。PRC1的異常調(diào)節(jié)還導(dǎo)致多個(gè)器官（包括大腦、肝臟、結(jié)腸、乳腺、肺、前列腺或淋巴系統(tǒng)）的腫瘤。
H2Bub1的異常單泛素化通常與腫瘤發(fā)生相關(guān)。RNF20/40在原發(fā)性腫瘤（如結(jié)腸、乳腺、卵巢、前列腺和肺癌）中常常受到干擾。H2Bub1的缺乏通常與癌癥患者的不良預(yù)后相關(guān) [18]。
環(huán)指蛋白和BMI1的擴(kuò)增或過(guò)度表達(dá)導(dǎo)致H2Aub水平升高和腫瘤進(jìn)展。位于BAP1的UCH、CTD和NLS功能結(jié)構(gòu)域內(nèi)的癌癥突變導(dǎo)致H2Aub的去泛素化喪失，促使癌癥的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1] Goldknopf I. L., Taylor C. W., et al. (1975). Isolation and characterization of protein A24, a “histone-like” non-histone chromosomal protein [J]. J. Biol. Chem. 250, 7182–7187.
[2] West M. H., Bonner W. M. (1980). Histone 2B can be modified by the attachment of ubiquitin [J]. Nucleic Acids Res. 8, 4671–4680.
[3] Robzyk K., Recht J., Osley M. A. (2000). Rad6-dependent ubiquitylation of histone H2B in yeast [J]. Science 287, 501–504.
[4] Wang H., Zhai L., et al. (2006). Histone H3 and H4 ubiquitylation by the CUL4-DDB-ROC1 ubiquitin ligase facilitates cellular response to DNA damage [J]. Mol. Cell 22, 383–394.
[5] Jason LJ, Finn RM, et al. Histone H2A ubiquitylation does not preclude histone H1 binding, but it facilitates its association with the nucleosome [J]. J. Biol. Chem. 2005;280:4975–4982.
[6] Wang H, Wang L, et al. Role of histone H2A ubiquitylation in Polycomb silencing [J]. Nature. 2004;431:873–878.
[7] Fang J, Chen T, et al. Ring1b-mediated H2A ubiquitylation associates with inactive X chromosomes and is involved in initiation of X inactivation [J]. J. Biol. Chem. 2004;279:52812–52815.
[8] Kim J, Guermah M, et al. RAD6-mediated transcription-coupled H2B ubiquitylation directly stimulates H3K4 methylation in human cells [J]. Cell. 2009;137:459–471.
[9] Nakanishi S, Lee JS, et al. Histone H2BK123 monoubiquitylation is the critical determinant for H3K4 and H3K79 trimethylation by COMPASS and Dot1 [J]. J. Cell Biol. 2009;186:371–377.
[10] Kim J.J. et al. Systematic bromodomain protein screens identify homologous recombination and R-loop suppression pathways involved in genome integrity [J]. Genes Dev. 2019; 33: 1751-1774.
[11] Xu S. et al. p300-mediated acetylation of histone demethylase JMJD1A prevents its degradation by ubiquitin ligase STUB1 and enhances its activity in prostate cancer [J]. Cancer Res. 2020; 80: 3074-3087.
[12] Xia Y. et al. RNF8 mediates histone H3 ubiquitylation and promotes glycolysis and tumorigenesis [J]. J. Exp. Med. 2017; 214: 1843-1855.
[13] Kalb R, Latwiel S, et al. (2014) Histone H2A monoubiquitylation promotes histone H3 methylation in Polycomb repression [J]. Nat Struct Mol Biol 21: 569–571.
[14] Zhao D, Zhang X, et al. (2016) The BAH domain of BAHD1 is a histone H3K27me3 reader [J]. Protein Cell 7: 222–226.
[15] Machida S, Takizawa Y, et al. (2018) Structural basis of heterochromatin formation by human HP1 [J]. Mol Cell 69: 385–397.e8.
[16] Tamburri S, Lavarone E, et al. (2020) Histone H2AK119 mono-ubiquitylation is essential for polycomb-mediated transcriptional repression [J]. Mol Cell 77: 840–856.e5.
[17] Wu L, Zee BM, et al. (2011) The RING finger protein MSL2 in the MOF complex is an E3 ubiquitin ligase for H2B K34 and is involved in crosstalk with H3 K4 and K79 methylation [J]. Mol Cell 43: 132–144.
[18] Sa Zhou, Yuqiao Cai, et al. Role of H2B mono-ubiquitylation in the initiation and progression of cancer [J]. Bulletin du Cancer, Volume 108, Issue 4, April 2021, Pages 385-398.
