Nature：DNA修复关键分子的双重功能

　　

生物通报道  一个DNA修复的关键性分子也参与阻碍了DNA修复，这一双重作用蛋白解开了长期以来存在的秘密。

修复DNA断裂可以挽救细胞的生命，然而关闭这一修复机器同样也非常重要。对于细胞是如何完成这一“壮举”的，至今科学家们仍不是很清楚。近期来自约翰霍普金斯大学的科学家们在新研究中发现关闭这一修复机器很大程度上依赖于最初用于启动修复的同一个分子。这一研究成果发布在《自然》（Nature）杂志上。

领导这项研究的是来自约翰霍普金斯大学医学院生物物理学和生物物理化学系教授Cynthia Wolberger博士。Wolberger说许多原因可导致DNA链的双螺旋两侧断裂，包括接触紫外光线、其他种类的辐射或某些化合物。如果得不到修复这些大的断裂有可能对细胞致命，或是因错误修复引起癌症或其他疾病。因此，将修复机器招募至断裂位点快速有效地修补这些断裂对于维持细胞活力和健康至关重要。然而，如果在任务完成后修复机器还继续运行，则有可能不断尝试修复是细胞管家正常部分和基因表达必需的断裂从而导致细胞破坏。

双链DNA修复过程开始于一种称为ubiquitin的分子（众所周知其功能是将不需要的蛋白质标记为细胞垃圾桶）与赖氨酸形成连接之时。赖氨酸附着在DNA断裂位点上，充当信号修复机器的标志。一种称为UBC13的蛋白是形成这些连接的必要条件。从前的研究表明去泛素化酶OTUB1 在终止连接形成中发挥重要作用，然而不同于其他相似的酶它似乎没有通过裂解ubiquitin连接或将ubiquitin从其他蛋白质处去除来发挥作用。

为了弄清楚真实发生的事件，Wolberger及同事们一开始对OTUB1进行了生化分析。他们发现这个酶包含两个不同的ubiquitin结合位点：一个在庞大的球状部，另一个在球状部延伸的尾部。当研究人员利用化学方法刺激ubiquitin结合到球状部时，实验表明这一结合是激活OTUB1抑制连接形成的必要条件。

“真正的抑制子并不只是OTUB1，而是OTUB1与ubiquitin结合，”Wolberger解释道。

进一步的实验表明OTUB1上的第二ubiquitin结合位点似乎是提供给UBC13搬运的ubiquitin的。研究人员发现当OTUB1通过与第二个ubiquitin结合而与UBC13形成复合物时，它敲除了对UBC13功能至关重要的一个亚基。

研究人员在下一步的实验中弄清了这一亚基从UBC13被移除的机制。通过解析激活OTUB1的三维结构，他们发现结合在球状部位的游离ubiquitin通过影响OTUB1尾部位置触发了OTUB1结合到UBC13所必需的形状改变。

Wolberger说没有这一亚基，UBC13即不再能够形成ubiquitin连接，没有了修复机器的这些标志，细胞中的DNA修复停止。OTUB1还阻止了UBC13招募至DNA断裂位点，进一步干扰了其活性。

Wolberger表示新研究除解开了一个细胞生物学的秘密，研究发现还可能最终为制造出帮助细胞损伤后更有效修复DNA的药物奠定基础。通过制造出可结合OTUB1或UBC13的分子，研究人员或许能够在选择性情况下干扰这一正常关闭的过程，使DNA修复机器运行得更长久。

研究发现还表明细胞中的其他酶，尤其是与ubiquitin相关的酶有可能具有多种尚未被发现的功能。

“就我们所知，在基因组中就有超过100种去泛素化酶，但是我们对于它们的功能却并不清楚，”Wolberger说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The mechanism of OTUB1-mediated inhibition of ubiquitination

Histones are ubiquitinated in response to DNA double-strand breaks (DSB), promoting recruitment of repair proteins to chromatin1. UBC13 (also known as UBE2N) is a ubiquitin-conjugating enzyme (E2) that heterodimerizes with UEV1A2 (also known as UBE2V1) and synthesizes K63-linked polyubiquitin (K63Ub) chains at DSB sites in concert with the ubiquitin ligase (E3), RNF168 (ref. 3). K63Ub synthesis is regulated in a non-canonical manner by the deubiquitinating enzyme, OTUB1 (OTU domain-containing ubiquitin aldehyde-binding protein 1), which binds preferentially to the UBC13~Ub thiolester4. Residues amino-terminal to the OTU domain, which had been implicated in ubiquitin binding4, are required for binding to UBC13~Ub and inhibition of K63Ub synthesis5. Here we describe structural and biochemical studies elucidating how OTUB1 inhibits UBC13 and other E2 enzymes. We unexpectedly find that OTUB1 binding to UBC13~Ub is allosterically regulated by free ubiquitin, which binds to a second site in OTUB1 and increases its affinity for UBC13~Ub, while at the same time disrupting interactions with UEV1A in a manner that depends on the OTUB1 N terminus. Crystal structures of an OTUB1–UBC13 complex and of OTUB1 bound to ubiquitin aldehyde and a chemical UBC13~Ub conjugate show that binding of free ubiquitin to OTUB1 triggers conformational changes in the OTU domain and formation of a ubiquitin-binding helix in the N terminus, thus promoting binding of the conjugated donor ubiquitin in UBC13~Ub to OTUB1. The donor ubiquitin thus cannot interact with the E2 enzyme, which has been shown to be important for ubiquitin transfer6, 7. The N-terminal helix of OTUB1 is positioned to interfere with UEV1A binding to UBC13, as well as with attack on the thiolester by an acceptor ubiquitin, thereby inhibiting K63Ub synthesis. OTUB1 binding also occludes the RING E3 binding site on UBC13, thus providing a further component of inhibition. The general features of the inhibition mechanism explain how OTUB1 inhibits other E2 enzymes4 in a non-catalytic manner.