景杰生物 | 报道
基因组DNA不断遭受着内源和外源因素的攻击而发生损伤，这些损伤会造成基因组的不稳定性。为了应对这些损伤对机体造成的不利影响，机体已经进化出一整套复杂的损伤修复系统，包括大量的蛋白质以及蛋白质的翻译后修饰 (PTM)。蛋白质的可逆翻译后修饰 (PTM) 在整个过程中发挥着重要作用。赖氨酸巴豆酰化 (Kcr) 是一种新发现的 PTM，先前的MS 中发现 H2AK119 (H2AK119cr) 处存在 Kcr，但这种修饰的生物学功能仍不清楚。
2022年9月5日首都师范大学生科院王海龙教授团队在权威期刊Nucleic Acids Research (IF=19.16) 杂志上发表了题为 Dynamic switching of crotonylation to ubiquitination of H2A at lysine 119 attenuates transcription–replication conflicts caused by replication stress 的研究论文。该研究发现组蛋白H2A第119位点赖氨酸同时存在巴豆酰化修饰 (H2AK119cr) 与泛素化修饰(H2AK119ub)，并首次揭示了巴豆酰化修饰及泛素化修饰在复制压力响应中的重要作用。对复制压力下基因组稳定性维持机制的认识具有重要意义，并为靶向DNA复制的化疗药物的设计及应用提供指导。景杰生物为该研究提供了巴豆酰化及泛素化修饰抗体。
首先研究人员使用 H2AK119cr位点特异性抗体 (PTM-543) 验证并推测 H2AK119cr 是否参与 DDR 并与同一赖氨酸残基上的 H2A 泛素化有相互影响。接下来检查了各种 DNA 损伤诱导剂对 H2AK119cr 和 H2AK119ub 整体水平的影响。有趣的是，HU、CPT、DOX降低了 H2AK119cr 的整体水平并增加了三种指定细胞系中的 H2AK119ub。短期HU或低浓度APH处理会导致复制叉停滞但不会诱导高水平的 DSB，也降低了 H2AK119cr 并增加了 H2AK119ub (图 1D, 1E)。这些结果表明复制压力可以可逆地调节 H2AK119cr 和 H2AK119ub 的整体水平。
图1 DNA 损伤对 H2AK119cr 和 H2AK119ub 的调节
已知的研究表明H2AK119ub 可以募集在UV引起的损伤和 DSB 部位。接下来研究了 H2AK119ub/H2AK119cr 是否也在反向复制叉处积累并帮助细胞减轻复制压力。作者使用 iPOND 技术和PLA发现H2AK119ub 可以在停滞的复制叉上积累。同时发现 SIRT1-KO 或 BMI1-KO 的细胞中没有发现明显的 H2AK119ub/EDU PLA 病灶，这表明 H2AK119ub 需要 SIRT1 介导的去巴豆酰化后 BMI1 介导的泛素化才能在HU停滞的复制叉上募集。
同时在野生型细胞中没有观察到明显的HU诱导的 H2AK119cr/EdU PLA 病灶 (图 3)。在SIRT1-KO 细胞中发现了显著的 H2AK119cr/EdU PLA 病灶。这些发现支持了在没有 SIRT1 的情况下 H2AK119cr 在停滞的复制叉上积累的观点。在野生型细胞中，SIRT1 在复制压力下从 H2AK119 中去除巴豆酰化，从而允许在相同的赖氨酸残基上进行其他修饰，例如泛素化。
图2 H2AK119cr/H2AK119ub募集到反转的复制叉
根据前期研究表明H2AK119ub有抑制转录的功能，作者想知道其募集到反转的复制叉上其功能是否也会与转录相关，复制和转录的冲突会造成更多R-loop的形成，作者观察到在野生型细胞中HU处理后 R-loop形成增加，SIRT1 或 BMI1 的消耗进一步增加了HU诱导的R-loop水平。在 SIRT1-KO 细胞中敲除 BMI1 或在 BMI1-KO 细胞中敲除 SIRT1 并没有进一步增加HU诱导的R-loop水平。
此外还发现HU处理后野生型细胞中R-loop水平和H2AK119ub之间的相互作用显着增加，其中R-loops 和 H2AK119ub 之间的相互作用明显被 RNase H1 破坏，表明 R-loops 和 H2AK119ub 之间的关联确实在复制压力下发生 (图3)。因此，作者得出结论，SIRT1 和 BMI1 在复制压力期间以相同的途径运作以协调转录和复制。
图3 在复制压力情况下 SIRT1 或 BMI1 的消耗会增加 TRC
接下来研究进一步探究了 SIRT1 介导的 H2AK119cr 去除和 BMI1 介导的 H2AK119ub 是否可以解决导致停滞复制叉附近转录抑制的 TRC。通过检测位于停滞复制叉附近的三个选定基因DOX处理降低了 H2AK119cr 的富集，但增加了这些基因中 H2AK119ub 的富集 (图 4)。同时通过RNA Pol II ChIP 分析结果证实，DOX减少了 RNA Pol II 的富集，并进一步表明，DOX处理不会改变 SIRT1-KO 细胞和 BMI1-KO 细胞中三个选定基因上 RNA Pol II 的富集。这些数据表明 SIRT1 和 BMI1 通过置换 RNA Pol II 来抑制位于停滞复制叉附近的基因的转录，以改善复制应激诱导的 TRC，由 SIRT1 和 BMI1 介导的 H2AK119cr/H2AK119ub 转换可能在这一过程中发挥作用。
图4 SIRT1 和 BMI1 调节停滞复制叉附近基因的转录
综上所述，该研究表明 H2AK119cr/H2AK119ub 可以募集到反转的复制叉上共同作用，解决复制压力引起的TRC。同向转录和复制不是 TRC 的主要来源，这解释了为什么在未受干扰的细胞中检测到低水平的 TRC 和相关的 R- loop。然而，HU或DOX诱导的停滞的复制叉将在基因组的活跃转录部分诱导dormant origin 激活，这降低了与转录同向的复制叉的比例，从而增加了正面碰撞和R- loop形成。由于持续的复制压力，dormant origin激活产生的复制叉将停止、反转和招募 SIRT1 和 BMI1，以去除 H2AK119cr 并在新生 DNA 中积累 H2AK119ub。被 H2AK119ub 修饰的染色体可能会阻止 RNA Pol II 结合，从而导致 RNA Pol II 的释放、转录抑制和 TRC 减少。说明SIRT1-/BMI1 介导的 H2AK119cr 到 H2AK119ub 的动态转换在解决复制应激诱导的 TRC 中起重要作用。
图5 H2AK119cr/H2AK119ub解决复制压力引起的TRC的工作模型
-往期推荐-
Mol Cell | DNA双链断裂处巴豆酰化丰度研究发现转录沉默非DNA修复所必须
2022-04-27
Science | 组蛋白泛素化与乙酰化crosstalk，实现染色质酶活性的“精细”调控
2021-04-19
Science Advances | 超高深度巴豆酰化组学分析揭示其在DNA损伤修复中的重要作用
2020-03-14
Cell Death Differ | 水生所肖武汉组揭示p53琥珀酰化调控DNA损伤响应机制
2021-10-25
PTM表观遗传修饰“黑马”之巴豆酰化
2020-10-21
参考文献
1. Shuailin Hao, et al.,2022. Dynamic switching of crotonylation to ubiquitination of H2A at lysine 119 attenuates transcription–replication conflicts caused by replication stress. Nucleic Acids Research.
本文由景杰学术团队报道，欢迎转发到朋友圈。如您需要搜索更多往期精彩内容，可
#关注领取新人福利，下载最近三年影响因子（后台发送关键词“新人“）
首页
