組蛋白泛素化
1. 什么是組蛋白泛素化？
將一個由76個氨基酸組成的泛素（Ub）部分連接到組蛋白的賴氨酸殘基上的過程被稱為組蛋白泛素化。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）部分的數量。組蛋白，特別是H2A和H2B，主要發生單泛素化，這是一個可逆的過程，改變了組蛋白的質量并影響了核小體的動態。然而，組蛋白多泛素化生成了一個不可逆的信號，用于蛋白酶體介導的降解。
在大多數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的泛素化水平無法檢測到 [2,3]。
組蛋白H2A主要在賴氨酸119（H2AK119ub1）處被泛素化，而H2B的主要泛素化位點是在酵母菌中的賴氨酸123（H2BK123ub1），在哺乳動物中的是賴氨酸120（H2BK120ub1）[1,2]。染色質免疫沉淀（ChIP）實驗顯示，單泛素化的H2A主要集中在基因組的衛星區域，而H2Bub則定位在活躍基因的體部。
除了H2A和H2B，泛素修飾還已經在核心組蛋白H3、H4和連接組蛋白H1上被報道。例如，在紫外線照射后，已經發現CUL4-DDB-RBX1泛素連接酶復合物在體內對H3和H4進行多泛素化 [4]。
2. 組蛋白泛素化的機制
泛素首先與E1酶結合，并通過在其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依賴的方式被激活。接下來，激活的泛素通過硫酯鍵與泛素結合的方式轉移到E2酶。最后，E2與一個E3泛素連接酶相互作用，該酶將泛素共價連接到組蛋白的目標賴氨酸殘基上。E3泛素連接酶的功能是將E2-泛素復合物定位到目標賴氨酸附近。
圖1. 組蛋白單泛素化的過程
3. 組蛋白泛素化酶
組蛋白泛素化是一個經過精密調控的過程，涉及E1激活酶、E2結合酶和E3連接酶。這些步驟最終導致泛素（Ub）與組蛋白蛋白上的一個賴氨酸（Lys）殘基形成共價鍵。
組蛋白泛素化是一個可逆的過程。去泛素化酶（DUBs）從泛素化的組蛋白上的賴氨酸殘基上去除泛素。
| 酶 | 物種 | 組蛋白特異性 | 酶活 | 在轉錄中的作用 |
|---|---|---|---|---|
| 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有共享的結構域或結構模體。
| 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：組蛋白泛素化位點及相應的讀取蛋白。
該表格信息來源于：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的泛素化蛋白，它們的泛素化在幾乎所有DNA相關過程中扮演著關鍵角色，例如轉錄的啟動和延伸、維持染色質結構、DNA復制和DNA修復。這些多樣的影響主要取決于與染色質相關的組蛋白泛素化的位點特異性識別因子。
單泛素化組蛋白可以引發基因的激活和抑制，而多泛素化則為它們標記了蛋白酶體介導的降解。
H2A119ub1 調節組織特異性位點、非活性女性X染色體上的基因抑制，或者在DNA損傷區域。H2AK119泛素化還參與了連接組蛋白H1結合到核小體上 [5]，Polycomb沉默 [6] 和雌性哺乳動物X染色體失活 [7]。
H2Bub1 參與轉錄激活和延伸、DNA損傷應答（DDR）和干細胞可塑性。在釀酒酵母和人類細胞中，H2Bub1 是H3K4和H3K79甲基化的前提條件 [8,9]。研究表明，H2Bub1 直接增強了DOT1L甲基轉移酶的活性，從而促使了酵母和人類模型中H3K79甲基化的促進。
組蛋白泛素化還參與了精子形成，并在精子發生過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成了一個復雜的調節網絡，統治著染色質動態和基因表達。
已經證明組蛋白賴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控。單泛素化的H2A被PRC2識別，引發H3K27甲基化 [13]。這會招募SETDB1進行H3K9三甲基化，錨定染色質緊縮蛋白，如HP1 [14,15]。三甲基化的H3K27會吸引更多的PRC1，通過H2A修飾開始穩定的遠程信號傳遞 [16]。H2B的單泛素化觸發DOT1L對組蛋白H3的K79位點進行甲基化，隨后通過MLL增強H3K4甲基化，促使轉錄激活因子的招募 [17]。
組蛋白泛素化還與DNA損傷應答中的賴氨酸乙?；嗷プ饔谩Ｇ贸嚢彼嵋阴＾D移酶KAT5（TIP60）或PCAF導致H2B的賴氨酸120位點（H2BK120ac）的乙?；瘻p少，伴隨著H2BK120的泛素化增加，以應答DNA損傷 [10]。EP300對H3K9me2脫甲基化酶JMJD1A進行乙?；?，阻止了STUB1介導的多泛素化，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，促進基因轉錄和端粒沉默。
在染色質控制中，泛素化與磷酸化之間存在相互關系。EGFR通過RNF8-UBE2L6使賴氨酸48-鏈接的多泛素化鏈附著到H3K4，導致H3的降解 [12]。當H3.3的蘇氨酸11（H3.3T11ph）突變為丙氨酸時，磷酸化和泛素化均被阻斷。在由電離輻射（IR）引發的DNA損傷信號傳導過程中，組蛋白磷酸化和泛素化相互協同作用。
6. 組蛋白泛素化與疾病
組蛋白泛素化或去泛素化的失調被視為各種人類疾病的致病因素，包括與大腦有關的疾病和癌癥相關的疾病。
影響調節H2Aub水平的各個組分的突變與多種綜合征和大腦相關的障礙相關。例如，AUTS2基因內的突變與自閉癥和智力障礙相關。PHC1的缺陷與大腦發育障礙相關，例如常染色體隱性原發性小頭癥。與H2A泛素化水平受損相關的PHC1突變與細胞周期進展受損和DNA修復機制受損相關。
PRC1的喪失與生命不相容。干擾PRC1活性的突變導致小頭癥或學習障礙。PRC1的異常調節還導致多個器官（包括大腦、肝臟、結腸、乳腺、肺、前列腺或淋巴系統）的腫瘤。
H2Bub1的異常單泛素化通常與腫瘤發生相關。RNF20/40在原發性腫瘤（如結腸、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后相關 [18]。
環指蛋白和BMI1的擴增或過度表達導致H2Aub水平升高和腫瘤進展。位于BAP1的UCH、CTD和NLS功能結構域內的癌癥突變導致H2Aub的去泛素化喪失，促使癌癥的發展。
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