BRE1與細胞周期調控

吳雨菲

摘要：細胞周期調控是一個復雜的過程，它包括對細胞的生長、增殖、分化和凋亡等諸多生命活動的精密調控。細胞周期調控的紊亂就是很多腫瘤和癌癥發生的根本起源。隨科學進步，有關調控的信號通路、調控因子及其作用機制等研究結果越來多，如組蛋白H2B的多位點高度特異性泛素化就控制著基因表達的各個方面。而BRE1作為H2B特殊位點泛素化的唯一E3泛素連接酶也是細胞調控中的生物因子。BRE1不僅廣泛分布于各種物種中，其RING結構域更是從酵母到人類具有高度保守性，主要存在于細胞質與細胞核中，影響細胞生存、增殖、凋亡和分化等多種過程，是細胞周期調控中的重要成員。

關鍵詞：BRE1 泛素化 H2Bub1 細胞周期調控

1緒論

細胞的分裂分化是生命體生長、發育和繁衍的基礎。而細胞周期就是指分裂一次所經歷的完整過程，在此過程中，各種復雜的調控機制影響著細胞的生理活動，例如與我們生活息息相關的新生命的孕育、細胞癌變的發生與治療、農產品的開發等等。作為細胞中能與DNA共同構成遺傳物質核小體的組蛋白，在細胞周期調控中更是不可或缺的，其中H2B的單泛素化就被發現在胚胎干細胞分化[1]、DNA損傷修復等過程中是發揮重要作用，而BRE1/Rad6泛素化機制目前被認為是H2B單泛素化唯一的驅動者[2]。

2 BRE1的研究現狀

2.1 BRE1的結構

對BRE1的研究最早可以追溯到1995年[3]，這時人們第一次得到并研究這種在人腦和生殖器官中高度表達的基因BRE（Brain and Reproductive organ.Expressed），其編碼的mRNA有1.7-1.9 kb，最大開放閱讀框為1149 bp，可轉錄翻譯出 有383個氨基酸殘基的多肽，后來因被發現有一個典型的RING結構域，后期在哺乳動物中也被稱為RNF20/40（Ring Finger protein 20/40）。RING結構域為 RING 類 E3 泛素蛋白連接酶所特有，BRE1就是其中一種，其RING結構域從酵母到人類細胞達到了高度保守。據推測，酵母Bre1單體在第647-700殘基處有一個環狀結構，旁側的α螺旋在第632-647位殘基上。BRE1的核心環狀結構具有RING典型的一個三股反平行β折疊、一個中心a-螺旋和一個310螺旋，此外還有兩個長環：第647-657殘基L1和第679-691殘基的環L2，它們通過C3HC4交叉基序和兩個鋅離子配合而達到結構的穩定[4]。

2.2 BRE1的功能

2003年，BRE1首次被證實是H2B泛素化過程中的E3泛素連接酶[5]，它與E2泛素結合酶RAD6的泛素化機制至今仍被認為是H2B泛素化的唯一驅動者。另有實驗對生物體的BRE基因進行iRNA干擾以沉默，會導致細胞周期G2/M檢驗點缺失，加速細胞向有絲分裂期的過度[6]。這說明BRE1參與細胞周期調控，對細胞的分裂分化有著直接或間接的作用。2013年，BRE1又被證實在Toll激活的NF-κB通路中起負調控作用，NF-κB通路在天然免疫中十分重要，可抑制由TNF-α介導的細胞凋亡途徑[7]。這與1998年發現的BRE1人類同源物RNF20/40可結合TNF-R1參與TNF-α介導的信號轉導途徑互相呼應，間接說明BRE1對TNF介導的細胞凋亡具有促進作用[8]。除上述外，RNF20/40在某些激素合成、癌癥發生等過程中均被發現高表達，說明作為同源物，BRE1也有多種功能仍待開發。

2.3 BRE1與泛素化

泛素（ubiquitin， Ub）是一種序列高度保守的小分子蛋白質， 在所有真核細胞中均有存在。泛素化則是指泛素在系列酶的催化作用下經歷認為劃分的三步共價結合到靶蛋白的過程：C端Gly得到ATP供能的泛素，轉移到E1泛素激活酶催化中心的Cys殘基上，與其形成共價復合物;復合物再與E2泛素結合酶相互作用，活化的泛素被轉移到E2酶催化中心的Cys殘基上;最后E3泛素連接酶通過識別靶底物和介導泛素從 E2 泛素偶聯酶到底物的轉移，賦予靶蛋白泛素化的特異性[9]。

E3酶的Bre1與E2酶Rad6在酵母中工作時在H2B的Lys123處配對，并使起單泛素化。Bre1將Rad6活性位點直接定位在H2B Lys123上。與其他很多泛素酶不同的是，Bre1/ Rad6機制只修飾核小體上的一個賴氨酸。有研究者利用XL-MS構建了酵母細胞中Bre1/ Rad6與泛素和底物作用過程的復合物模[10]：假設只有一個Rad6靶向識別H2B Lys123，當Bre1的RING結構與共價結合泛素的RAD6接觸時，Bre1 Arg679和Arg681與H2B Glu116結合，以此連接到核小體的表面，接下來Bre1/ Rad6共同作用Ub沿著核小體的DNA超螺旋軸旋轉，朝向H2B Lys123靶位點運動。當然這只推測了BRE1在識別RAD6共價結合泛素分子復合物的基本過程，BRE1/RAD6催化泛素化是一個十分復雜的機制，其過程還有很多需要我們繼續深究。

3 H2B單泛素化在細胞周期中的作用

H2B的這種多個位點高度特異性的泛素化控制著基因表達的各個方面，包括轉錄的啟動和延長，DNA的復制和修復以及著絲粒的功能等等。不僅如此，其他組蛋白如H3的甲基化也需要單泛素化的H2B（H2Bub1），這些組蛋白的交叉互作也能參與細胞調控。近年來隨著對H2Bub1的深入研究，越來越多的結果證明H2Bub1在細胞調控中的重要作用：2011年，在乳腺癌細胞的研究過程中觀察到H2B的泛素化水平處于降低狀態，這種降低導致轉錄延長缺陷[11];2012年，單泛素化的H2B（H2Bub1）被發現在胚胎干細胞分化中扮演不可缺少的角色[1];2017年，H2Bub1又被證明是調節自噬的關鍵表觀遺傳開關，通過改變NCP的結構和調節負責這些過程的因素來影響DNA復制、轉錄激活和DNA損傷修復[2];在很多研究中還在很多不同的疾病狀態下觀察到了H2B 泛素化的異常水平。這些都表明H2B甚至于由BRE1催化的H2B單泛素化對細胞的周期調控至關重要。

4 BRE1的研究意義與前景

自1995年發現了這種在人腦和生殖器官中高度表達的基因以來，對它的研究就從未停止，如作為E3連接酶參與催化組蛋白的泛素化、與各種激素或細胞因子協同作用于細胞周期的調控影響細胞生存、增殖、凋亡等多種過程、是多種信號通路與代謝途徑中的關鍵因子，與腫瘤快速生長密切相關……這些無一不證實了BRE在生命活動中的重要作用。但其具體作用機制十分復雜精密至今未被完整的明確。因此，深入研究其在生命活動中的功能及分子機制無疑具有十分重要的意義。

參考文獻

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