BRE1与细胞周期调控

吴雨菲

摘要：细胞周期调控是一个复杂的过程，它包括对细胞的生长、增殖、分化和凋亡等诸多生命活动的精密调控。细胞周期调控的紊乱就是很多肿瘤和癌症发生的根本起源。随科学进步，有关调控的信号通路、调控因子及其作用机制等研究结果越来多，如组蛋白H2B的多位点高度特异性泛素化就控制着基因表达的各个方面。而BRE1作为H2B特殊位点泛素化的唯一E3泛素连接酶也是细胞调控中的生物因子。BRE1不仅广泛分布于各种物种中，其RING结构域更是从酵母到人类具有高度保守性，主要存在于细胞质与细胞核中，影响细胞生存、增殖、凋亡和分化等多种过程，是细胞周期调控中的重要成员。

关键词：BRE1 泛素化 H2Bub1 细胞周期调控

1绪论

细胞的分裂分化是生命体生长、发育和繁衍的基础。而细胞周期就是指分裂一次所经历的完整过程，在此过程中，各种复杂的调控机制影响着细胞的生理活动，例如与我们生活息息相关的新生命的孕育、细胞癌变的发生与治疗、农产品的开发等等。作为细胞中能与DNA共同构成遗传物质核小体的组蛋白，在细胞周期调控中更是不可或缺的，其中H2B的单泛素化就被发现在胚胎干细胞分化[1]、DNA损伤修复等过程中是发挥重要作用，而BRE1/Rad6泛素化机制目前被认为是H2B单泛素化唯一的驱动者[2]。

2 BRE1的研究现状

2.1 BRE1的结构

对BRE1的研究最早可以追溯到1995年[3]，这时人们第一次得到并研究这种在人脑和生殖器官中高度表达的基因BRE（Brain and Reproductive organ.Expressed），其编码的mRNA有1.7-1.9 kb，最大开放阅读框为1149 bp，可转录翻译出 有383个氨基酸残基的多肽，后来因被发现有一个典型的RING结构域，后期在哺乳动物中也被称为RNF20/40（Ring Finger protein 20/40）。RING结构域为 RING 类 E3 泛素蛋白连接酶所特有，BRE1就是其中一种，其RING结构域从酵母到人类细胞达到了高度保守。据推测，酵母Bre1单体在第647-700残基处有一个环状结构，旁侧的α螺旋在第632-647位残基上。BRE1的核心环状结构具有RING典型的一个三股反平行β折叠、一个中心a-螺旋和一个310螺旋，此外还有两个长环：第647-657残基L1和第679-691残基的环L2，它们通过C3HC4交叉基序和两个锌离子配合而达到结构的稳定[4]。

2.2 BRE1的功能

2003年，BRE1首次被证实是H2B泛素化过程中的E3泛素连接酶[5]，它与E2泛素结合酶RAD6的泛素化机制至今仍被认为是H2B泛素化的唯一驱动者。另有实验对生物体的BRE基因进行iRNA干扰以沉默，会导致细胞周期G2/M检验点缺失，加速细胞向有丝分裂期的过度[6]。这说明BRE1参与细胞周期调控，对细胞的分裂分化有着直接或间接的作用。2013年，BRE1又被证实在Toll激活的NF-κB通路中起负调控作用，NF-κB通路在天然免疫中十分重要，可抑制由TNF-α介导的细胞凋亡途径[7]。这与1998年发现的BRE1人类同源物RNF20/40可结合TNF-R1参与TNF-α介导的信号转导途径互相呼应，间接说明BRE1对TNF介导的细胞凋亡具有促进作用[8]。除上述外，RNF20/40在某些激素合成、癌症发生等过程中均被发现高表达，说明作为同源物，BRE1也有多种功能仍待开发。

2.3 BRE1与泛素化

泛素（ubiquitin， Ub）是一种序列高度保守的小分子蛋白质， 在所有真核细胞中均有存在。泛素化则是指泛素在系列酶的催化作用下经历认为划分的三步共价结合到靶蛋白的过程：C端Gly得到ATP供能的泛素，转移到E1泛素激活酶催化中心的Cys残基上，与其形成共价复合物;复合物再与E2泛素结合酶相互作用，活化的泛素被转移到E2酶催化中心的Cys残基上;最后E3泛素连接酶通过识别靶底物和介导泛素从 E2 泛素偶联酶到底物的转移，赋予靶蛋白泛素化的特异性[9]。

E3酶的Bre1与E2酶Rad6在酵母中工作时在H2B的Lys123处配对，并使起单泛素化。Bre1将Rad6活性位点直接定位在H2B Lys123上。与其他很多泛素酶不同的是，Bre1/ Rad6机制只修饰核小体上的一个赖氨酸。有研究者利用XL-MS构建了酵母细胞中Bre1/ Rad6与泛素和底物作用过程的复合物模[10]：假设只有一个Rad6靶向识别H2B Lys123，当Bre1的RING结构与共价结合泛素的RAD6接触时，Bre1 Arg679和Arg681与H2B Glu116结合，以此连接到核小體的表面，接下来Bre1/ Rad6共同作用Ub沿着核小体的DNA超螺旋轴旋转，朝向H2B Lys123靶位点运动。当然这只推测了BRE1在识别RAD6共价结合泛素分子复合物的基本过程，BRE1/RAD6催化泛素化是一个十分复杂的机制，其过程还有很多需要我们继续深究。

3 H2B单泛素化在细胞周期中的作用

H2B的这种多个位点高度特异性的泛素化控制着基因表达的各个方面，包括转录的启动和延长，DNA的复制和修复以及着丝粒的功能等等。不仅如此，其他组蛋白如H3的甲基化也需要单泛素化的H2B（H2Bub1），这些组蛋白的交叉互作也能参与细胞调控。近年来随着对H2Bub1的深入研究，越来越多的结果证明H2Bub1在细胞调控中的重要作用：2011年，在乳腺癌细胞的研究过程中观察到H2B的泛素化水平处于降低状态，这种降低导致转录延长缺陷[11];2012年，单泛素化的H2B（H2Bub1）被发现在胚胎干细胞分化中扮演不可缺少的角色[1];2017年，H2Bub1又被证明是调节自噬的关键表观遗传开关，通过改变NCP的结构和调节负责这些过程的因素来影响DNA复制、转录激活和DNA损伤修复[2];在很多研究中还在很多不同的疾病状态下观察到了H2B 泛素化的异常水平。这些都表明H2B甚至于由BRE1催化的H2B单泛素化对细胞的周期调控至关重要。

4 BRE1的研究意义与前景

自1995年发现了这种在人脑和生殖器官中高度表达的基因以来，对它的研究就从未停止，如作为E3连接酶参与催化组蛋白的泛素化、与各种激素或细胞因子协同作用于细胞周期的调控影响细胞生存、增殖、凋亡等多种过程、是多种信号通路与代谢途径中的关键因子，与肿瘤快速生长密切相关……这些无一不证实了BRE在生命活动中的重要作用。但其具体作用机制十分复杂精密至今未被完整的明确。因此，深入研究其在生命活动中的功能及分子机制无疑具有十分重要的意义。

参考文献

[1] Chen S， Li J， Wang D L， et al. Histone H2B lysine 120 monoubiquitination is required for embryonic stem cell differentiation[J]. 细胞研究：英文版， 2012， 22（9）：4.

[2] Deng ZH， Ai HS， Lu CP， Li JB. The Bre1/Rad6 machinery： writing the central histone ubiquitin mark on H2B and beyond[J]. Chromosome Res. 2020 Dec;28（3-4）：247-258.

[3] Li L， Yoo H， Becker FF， et al. Identification of a brain and reproductive organs specific gene responsive to DNA damage and retinoicacid[J]. Biochem Biophys Res Commun， 1995， 206， 2：764-774.

[4] Kumar P， Wolberger C. Structure of the yeast Bre1 RING domain[J]. Proteins. 2015Jun;83（6）：1185-90.

[5] Wood A， Krogan NJ， Dover J， et al. Bre1， an E3 ubiquitin ligase required for recruitment and substrate selection of Rad6 at a promoter[J]. Mol Cell. 2003 Jan;11（1）：267-74.

[6] 潘可， 陈海滨. BRE基因的研究进展[J]. 解剖学研究， 2007， 29（3）：3.

[7] 李林. BRE1蛋白对NF-κB信号通路负调控作用的研究[D]. 中国科学院大學， 2013.

[8] UC， Castellino A， Chan JY， et a1. BRE： a modulator of TNF-alpha action[J]. FASEB J， 1998， 12， 12：1101- 1108.

[9] Schulman B A. Twists and turns in ubiquitin-like protein conjugation cascades[J]. ProteinScience， 2011， 20（12）：1941-1954.

[10] Gallego L D， Steger M G， Polyansky A A， et al. Structural mechanism for the recognition and ubiquitination of a single nucleosome residue by Rad6-Bre1[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2016， 113（38）.

[11] Nahrmann， Frank Kramer， Magali Hennion， et al. Estrogen-Dependent Gene Transcription in Human Breast Cancer Cells Relies upon Proteasome-Dependent Monoubiquitination of Histone H2B[J]. Cancer Research， 2011， 71（17）：5739-5753.