Nature子刊：热点蛋白解决表观遗传争议

      近二十年来，科学家开始逐渐认识到DNA中的遗传密码只代表了生命蓝图中的一部分信息。遗传信息还来自于DNA结构上的特殊化学标签模式，这些表观遗传学标签决定了DNA包装的紧密程度以及特定基因的开关。

　　随着越来越多的表观遗传学标签被发现，研究人员开始好奇这些表观遗传学标签之间是否存在着某种联系。日前北卡罗来纳州大学医学院进行了一项研究，首次在人体两种最基本的表观遗传学标签之间建立了联系，这两种基础表观遗传学标签就是组蛋白修饰和DNA甲基化。该文章将于九月三十日发表在Nature Structural & Molecular Biology杂志上。

　　这项研究显示，有一种被称为UHRF1的蛋白参与了表观遗传学标签的维持。UHRF1是一种重要的表观遗传学调控因子，在确保DNA甲基化正确复制、调控异染色质功能和基因表达中发挥着重要的作用。UHRF1也是癌症研究中的重要靶标之一。今年三月复旦大学施扬教授就曾在美国科学院院刊PNAS上发表了一篇文章，解析了UHRF1的分子调控机制。（见附录PNAS：解析表观遗传重要因子UHRF1的调控机制）

　　“人们一直认为DNA甲基化所在的区域可能与组蛋白修饰等其他表观遗传学标签有所联系，这一点也已经在真菌和植物模式生物中被证实，”文章资深作者，UNC医学院生化和生物物理学副教授Brian Strahl说。“但此前还没有人能在人类细胞中证实这一点，因此研究界对于是否存在这种联系一直有较大争议。现在我们有证据表明，在人类细胞中表观遗传学标签之间也的确存着联系。”

　　Strahl与其实验室的博后Scott Rothbart利用他们开发的新技术“第二代多肽芯片”进行了这项研究。首先，研究人员合成了特定类型的组蛋白修饰，并将它们固定在小玻片上形成点阵。他们用这种芯片来研究组蛋白修饰对不同蛋白结合的影响。研究显示，只有UHRF1蛋白能够与一种特殊的组蛋白修饰（组蛋白H3赖氨酸9上的甲基化）结合，而其他蛋白则不能。

　　随后，Strahl及其同事致力于分析UHRF1蛋白与组蛋白修饰结合后的作用。他们发现在有丝分裂期间，其他结合表观遗传学标签的蛋白都会受到排斥，而UHRF1蛋白依然能够保持结合。重要的是研究显示，该蛋白与组蛋白在整个细胞周期中保持联系对于DNA甲基化的维持非常关键。这样的结果让研究人员非常吃惊，因为他们此前认为DNA甲基化的维持只发生在DNA复制这个阶段中。

　　北卡罗来纳州大学医学院的这项发现不仅能帮助科学家理解微观化学改变对表观遗传学大局的影响，还为疾病和癌症研究提供了新线索。

附录：

　　PNAS：解析表观遗传重要因子UHRF1的调控机制

　　复旦大学最新PNAS文章

　　日来自复旦大学医学院和哈佛医学院的研究人员在新研究中解析了表观遗传重要因子UHRF1的分子调控机制，证实UHRF1有丝分裂M期的磷酸化作用对它与去泛素化酶USP7的结合及稳定起重要调控作用。相关研究成果在线发表在国际权威期刊《美国科学院院刊》（PNAS）杂志上。

　　领导这一研究的是复旦大学长江学者施扬教授，其早年毕业于上海第一医学院药学系，2004年成为哈佛医学院病理学系教授，2005年受聘长江学者讲座教授，长期从事病理学、生物化学以及分子生物学等方面的研究。并在表观遗传学研究中取得重要成就，率先发现了第一个组蛋白去甲基酶。其研究成果多次在nature、cell、genes&dev等国际顶尖杂志上发表。

　　自从科学家破解了构成人类和动物基因组的碱基密码以来，研究人员将研究焦点开始转向研究基因功能的其他化学修饰层次，即表观遗传学。表观遗传学与基因序列本身一样重要，因为它控制基因是否被开启或关闭，从而决定它们是否制造蛋白质。生物通

　　UHRF1是一种重要的表观遗传学调控因子，过去的研究表明UHRF1在确保DNA甲基化的正确复制、调控异染色质功能和基因表达中发挥着重要的作用，UHRF1过表达可促使肿瘤形成。因此近年来该蛋白也成为了肿瘤学研究的重要目标。然而直到现在科学家们对于调控UHRF1的分子机制仍知之甚少。

　　在这篇文章中，研究人员证实UHRF1与去泛素化酶USP7发生了互作。借助互作缺陷的USP7和USP7催化缺陷突变体，研究人员证实USP7的物理互作和催化活性是UHRF泛素化和稳定性调控的必要条件。通过质谱分析和特异性的抗体检测发现在有丝分裂细胞M期，特异性激酶CDK1 -cyclin B使得UHRF1与USP7互作区域的丝氨酸（S）652位点发生了磷酸化。体内外实验表明UHRF1 S652磷酸化作用会导致UHRF1与USP7互作受到显著抑制，这与UHRF1在细胞周期M期活性降低密切相关。而与之相反，携带S652A突变的UHRF1（UHRF1无法发生S652磷酸化）则无更加稳定。此外，研究人员还发现携带S652A突变的细胞生长较为缓慢，表明适当水平的UHRF1在细胞增殖调控中发挥了重要的作用。

　　这些研究发现揭示了一个细胞周期特异性信号事件，表明解除UHRF1与USP7的互作会导致UHRF1发生蛋白酶体介导的降解。此外，新研究还揭示了UHRF1水平调控对细胞增殖的影响分子机制。

　　论文摘要

　　M phase phosphorylation of the epigenetic regulator UHRF1 regulates its physical association with the deubiquitylase USP7 and stability

　　UHRF1 (Ubiquitin-like, with PHD and RING finger domains 1) plays an important role in DNA CpG methylation, heterochromatin function and gene expression. Overexpression of UHRF1 has been suggested to contribute to tumorigenesis. However, regulation of UHRF1 is largely unknown. Here we show that the deubiquitylase USP7 interacts with UHRF1. Using interaction-defective and catalytic mutants of USP7 for complementation experiments, we demonstrate that both physical interaction and catalytic activity of USP7 are necessary for UHRF1 ubiquitylation and stability regulation. Mass spectrometry analysis identified phosphorylation of serine (S) 652 within the USP7-interacting domain of UHRF1, which was further confirmed by a UHRF1 S652 phosphor (S652ph)-specific antibody. Importantly, the S652ph antibody identifies phosphorylated UHRF1 in mitotic cells and consistently S652 can be phosphorylated by the M phase-specific kinase CDK1-cyclin B in vitro. UHRF1 S652 phosphorylation significantly reduces UHRF1 interaction with USP7 in vitro and in vivo, which is correlated with a decreased UHRF1 stability in the M phase of the cell cycle. In contrast, UHRF1 carrying the S652A mutation, which renders UHRF1 resistant to phosphorylation at S652, is more stable. Importantly, cells carrying the S652A mutant grow more slowly suggesting that maintaining an appropriate level of UHRF1 is important for cell proliferation regulation. Taken together, our findings uncovered a cell cycle-specific signaling event that relieves UHRF1 from its interaction with USP7, thus exposing UHRF1 to proteasome-mediated degradation. These findings identify a molecular mechanism by which cellular UHRF1 level is regulated, which may impact cell proliferation.

　　作者简介：

　　施扬

　　1960年3月生。1982年毕业于上海第一医学院药学系药物化学业余，获学士学位。1988年获美国纽约大学博士学位。1988～1991年，在普林斯顿大学分子生物学系处置博士后研讨。1991年被聘为哈佛医学院细胞与分子生物学系助理教授；1993年受聘负责哈佛医学院病理学系助理教授，1997年晋升为哈佛医学院病理学系副教授，2004年晋升为该院病理学系教授。2005年受聘长江学者讲座教授。历久奋力于病理学、生物化学以及分子生物学等方面的研讨，研讨成果在nature、cell、genes&dev等国内顶尖杂志上发表。