姗姗来迟的组蛋白H1：DNA损伤修复工程大队又添新丁
肖振宇 荷兰莱顿大学医学院博士
2015年10月7日，诺贝尔化学奖被授予了“DNA损伤修复机制”领域的三位科学家Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar，以表彰他们在此领域做出卓越贡献。
诺奖余热还未消退，10月21日，来自哥本哈根大学诺和诺德基金会中心蛋白质研究中心 (The Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research)，头号“科学大牛”Niels Mailand实验室在《Nature》上发表的他们最新研究进展，成功地将人们的视野拉回并聚焦在了DNA损伤修复领域：他们发现了组蛋白H1的新功能，组蛋白H1的泛素化能开启DNA损伤修复机制，放大修复信号并招募下游修复蛋白。这一发现开启了人们对于细胞如何保护和修复DNA损伤的新认识。
众所周知，DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，然而在不同生物的细胞中，体内基础的代谢活动以及体外各种的环境因素(如紫外线和放射线)都有可能造成DNA不同程度损伤。好在进化过程中，生命体已经进化出一套完整的DNA损伤修复机制。它如同忠诚的卫士，维护DNA分子的完整性，使基因组免受损伤和突变。然而一旦修复机制出现缺陷, DNA损伤就可能造成两种结果，细胞死亡或发生基因突变进而恶性转化为肿瘤细胞。先天性DNA修复缺陷疾病患者容易发生各种恶性肿瘤，比如皮肤癌，乳腺癌等，2013年5月14日，美国《纽约时报》就曾刊登了好莱坞著名演员安吉丽娜•朱莉由于患有先天性BRCA1基因“缺陷”，患乳腺癌的危险性高从而做了双侧乳腺切除手术的真实案例。
在所有已知的DNA损伤中，DNA双键断裂(DNA doubled-strand breaks, DSBs)是DNA损伤(点突变，DNA缺失或者插入突变，倒位， 转位突变等)中最为严重的一种。尽管有些时候(如在减数分裂和免疫球蛋白形成过程中)，程序化的链断裂是正常细胞功能所必需的，然而DNA双链的非正常非程序化断裂会造成遗传信息丢失, 正常细胞的癌变甚至直接导致细胞死亡。为了应对DSB损伤, 生命体早已进化出DNA完善的损伤应答(DNA-damage response, DDR)机制, 进行损伤修复以防止错误遗传信息的传递。在这一过程中, 作为染色质主要结构蛋白的组蛋白发生多种修饰, 包括磷酸化、甲基化、乙酰化、泛素化、 SUMO化(类泛素化)等。这些组蛋白修饰促进了DNA损伤修复相关蛋白在DNA损伤处的招募, 并改变染色质结构, 从而保证损伤应答以及修复过程的顺利进行。
组蛋白于1834年由德国科学家科塞尔发现，是存在于染色体内的与DNA结合的碱性蛋白质。由于组蛋白的存在，DNA链能够包绕在组蛋白上形成核小体结构，并可以进一步组装为染色质。更为形象的理解是，我们可以把一个细胞内的DNA链理解为一条大约有2米长的毛线，这样的长度，小小的细胞根本装不下，所以解决的办法就是绕毛线球，组蛋白作为核心使得DNA紧紧缠绕其上，从而形成染色质(线球)，通过这种方式，细胞内的DNA能被可以压缩到原来体积的十万分之一。
通常来讲，细胞内有5种组蛋白，其中四种(H2A、H2B、H3和H4)为核心组蛋白。他们各2个分子构成的8聚体是核小体的核心部分(图1)。核心组蛋白的功能目前已经得到大量全面的研究，除了在染色质组装方面发挥重要作用外，还在许多与DNA编码有关的过程中发挥重要功能，其中就包括DNA损伤修复机制。
图1：H2A、H2B、H3和H4核心组蛋白
第五种组蛋白H1负责与核小体间的DNA结合(图2)。H1的作用是与线形 DNA结合以帮助后者形成高级结构，但目前对于组蛋白H1的功能还没有完全了解清楚。
图2：组蛋白H1负责与核小体间的DNA结合
在这项研究中，研究人员首先利用现在最热的一把 DNA“魔法剪刀”Crispr/Cas9对能将靶蛋白进行泛素化修饰的E2结合酶UBC13(主要介导泛素中第63位赖氨酸的泛素链的形成)进行了敲除。通过对敲除的细胞引入DNA双键断裂，发现无法表达E2结合酶UBC13的细胞中，DNA双键断裂修复蛋白泛素化E3连接酶RNF168(目前泛素化以及DNA损伤修复领域的明星泛素化E3连接酶)以及双键断裂相关蛋白标记分子53BP1都无法聚集在DNA损伤部位，而泛素化E3连接酶RNF8的定位却完全不受影响。而在细胞中重新过表达UBC13或者RNF8-UBC13复合物能重新将修复分子定位在损伤部位，从而揭示了泛素化E3连接酶RNF8能通过E2泛素化结合酶UBC13催化泛素蛋白之间通过第63位赖氨酸位点形成多泛素蛋白聚合体(注：泛素化是指泛素(一类低分子量的蛋白质)分子在泛素化激活酶E1，泛素化结合酶E2，泛素连接酶E3的作用下，将细胞内的蛋白质分类，从中选出靶蛋白分子，并对靶蛋白进行翻译后修饰的过程，这一过程的发现者阿龙•西查诺瓦(Aaron Ciechanover)、阿弗拉姆•赫尔什科(Avram Hershko)和伊尔温•罗斯(Irwin Rose)在2004年获得了诺贝尔化学奖)。
研究人员通过质谱技术惊喜地发现，刚刚所提到E2-E3(UBC13-RNF8)复合物介导的第63位赖氨酸泛素链修饰的主要的靶蛋白竟然是一个被忽略的组蛋白-核心组蛋白的小尾巴H1。组蛋白H1的泛素化标记能够使其为另一个泛素化E3连接酶RNF168提供结合位点，使其定位到损伤部位，并进一步对其他修复领域其重要作用的蛋白分子进行泛素化修饰，从而传导损伤信号，并召唤其他相关损伤修复蛋白(图3)。
图3：组蛋白H1参与的修复通路
这项研究的重要意义在于，它发现了一个迄今为止鲜见报道的组蛋白H1在DNA损伤修复过程中的重要作用，揭示了组蛋白H1可以帮助扩大修复信号并招募损伤修复蛋白到损伤的位点进行修复工作。“目前国际上对于组蛋白的研究主要集中在核心组蛋白上，而组蛋白H1得到的关注较少，主要是我们一直没有意识到它也会影响DNA损伤修复过程。我们的研究发现了组蛋白H1在这一过程中发挥重要作用，为组蛋白的泛素化修饰在DNA损伤修复中的作用这一领域的研究开启了新的大门，揭示了组蛋白在维护细胞整个的完成有序运行起到了非常重要的作用。我相信在我们面前还有很多围绕H1功能的令人惊喜和兴奋的工作要做。”Niels Mailand教授说道。
这项新发现可以引导全世界工作在DNA损伤修复领域的科学家们对组蛋白H1投入更多关注，增加人们对于细胞DNA损伤修复过程的认识，同时也可以为DNA损伤引起的疾病如癌症，免疫缺陷等方面的治疗提供有效的治疗方案以及新的启示。
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