专访邱小波:突破桎梏 取得创新性成就

【字体: 时间:2013年06月09日 来源:生物通

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  “无限风光在险峰”,科学研究的道路从来都不是平坦的,唯有那些敢于破除固有桎梏,进行创新性研究的人才能走出自己的一条道路来,近期北京师范大学生命科学学院,中国医学科学院,中科院微生物研究所等单位的研究人员在《细胞》(Cell)上发表了一项突破性成果:介导组蛋白通过特异的蛋白酶体降解的是乙酰化,而不是普遍认为的泛素化修饰方式,这突破了原有理论的桎梏,为这一领域的研究开辟了一条新航道。

  

“在科学的道路上没有平坦的大道可走,只有不畏艰险沿着崎岖陡峭的山路攀登的人,才有希望到达光辉的顶点”——马克思

    “无限风光在险峰,科学研究的道路从来都不是平坦的,唯有那些敢于破除固有桎梏,进行创新性研究的人才能走出自己的一条道路来,近期北京师范大学生命科学学院,中国医学科学院,中科院微生物研究所等单位的研究人员在《细胞》(Cell)上发表了一项突破性成果:介导组蛋白通过特异的蛋白酶体降解的是乙酰化,而不是普遍认为的泛素化修饰方式,这突破了原有理论的桎梏,为这一领域的研究开辟了一条新航道。

领导这一研究的是北京师范大学邱小波教授,教授一直从事蛋白质降解和细胞凋亡的研究,曾揭示了泛素连接酶Nrdp1介导的细胞凋亡抑制蛋白BRUCE的降解是引发细胞凋亡的新途径,发现了具有促进去泛素化酶活性的蛋白酶体亚单位hRpn13等。为了更深入的了解这项重要的成果,生物通特联系了邱小波教授,就读者感兴趣的问题请教了他。

据介绍,人类的遗传信息储存于DNA。虽然人体所有体细胞DNA都一样,其编码基因的表达在不同细胞中却不尽相同。那么,基因在不同类型的细胞中怎样选择性表达呢?人类DNA长达1.8,通常缠绕在组蛋白上形成核小体,核小体经进一步折叠将DNA包装在小小的细胞核中。组蛋白起着DNA守护者的作用,决定着DNA上哪些基因可以表达。组蛋白自身有多种修饰,可能组成在细胞分裂时可遗传至下一代的密码,即组蛋白密码,用以指导基因表达的表观遗传调控。

最近科学家发现,已分化的人类体细胞经过重编程变成具有可发育成个体潜力的全能细胞,该过程改变的就是表观遗传调控。细胞内的各种分子常常处于不断合成与降解的更新中,但为了保持遗传信息的稳定性,其DNA并不会降解。在体细胞中,作为DNA的守护者及表观遗传信息载体的组蛋白也一直被认为不会降解。

然而,邱小波团队通过实验发现,在精子发生和体细胞DNA损伤修复过程中,组蛋白均会降解,这修正了科学界关于体细胞组蛋白不降解的论点。在精子发生过程中,单倍体基因组中约96%的组蛋白最终都会丢失,只有4%的组蛋白将其所载表观遗传信息传给了下一代。精子中组蛋白的选择性降解可能有利于清除可导致疾病的表观遗传标记,并避免清除从父代获得的、有益的表观遗传印记。

在病原菌感染、核辐射或某些致癌物影响下,细胞内DNA常会发生损伤。如不及时修复DNA损伤,细胞可能会发生癌变,甚至危及存活。为了有效地修复损伤的DNA, 组蛋白必需从核小体中释放出来,从而为DNA修复蛋白顺利到达工作位点提供足够的空间保障。所以,此时的组蛋白降解可确保损伤的DNA被及时修复,以维持细胞的遗传信息稳定。

这项研究发现乙酰化,而不是泛素化,介导了组蛋白通过特异的蛋白酶体降解。泛素化和乙酰化分别为两种不同的蛋白翻译后修饰,在基因表达的表观遗传调控中都起着重要的调控作用。如泛素化一样,乙酰化不仅修饰组蛋白,还可以修饰众多其它蛋白。目前已在七千多种人类蛋白中发现两万多个乙酰化位点。因此,这一发现将可能开辟关于乙酰化介导蛋白质降解研究的一个崭新领域。并且该研究还首次揭示组蛋白去乙酰化酶抑制剂促进DNA双链断裂诱导的、由乙酰化介导的组蛋白降解,增强细胞对DNA损伤的敏感性,促进细胞死亡。这一发现为它们的临床应用提供了重要基础。


生物通:组蛋白被认为是一种不易被机体降解的高度稳定蛋白,但这一点也令不少科学家感到疑惑,因为如果组蛋白不像其他蛋白那样被降解,那为什么细胞中没有积累大量的组蛋白,贵研究组的这项重要发现从一个方面破解了这个谜题,令我们十分好奇的是,您的这项研究是从哪方面入手,揭示出了核心组蛋白的降解过程,不是通过泛素化(非经典泛素化),而是乙酰化的呢?

教授:虽然体细胞的组蛋白通常非常稳定,很难证明其降解,但在精子发生过程中组蛋白大量丢失,有理由认为此时它们是可降解的。所以,有些学者试图揭秘精子发生过程中组蛋白降解机制。由于通常蛋白质都是通过泛素介导的蛋白酶体通路降解,所以他们主要在寻找催化组蛋白多聚泛素化并促进其降解的泛素连接酶,但一直没有成功。这时,我们在想,是不是组蛋白降解根本就不是泛素化介导的?

由于有理由相信,组蛋白仍然是由蛋白酶体降解的。我们就在想是否有特异的、不依赖于泛素化的蛋白酶体呢?由于精子发生过程中组蛋白大量丢失,我们就想到了从睾丸中提取这类蛋白酶体。幸运的是,睾丸中果然有特异的蛋白酶体。然而,它们不能有效降解泛素化蛋白,也不能有效降解未修饰的组蛋白。这表明,如果这些特异蛋白酶体能在体内降解组蛋白,这些组蛋白 可能需要特定的其它修饰。但这是什么修饰呢?因为乙酰基团可中和组蛋白中的正电荷,从而使组蛋白更易从DNA中脱离出来,我们这时就想到了乙酰化。有趣的是,睾丸中特异蛋白酶体通过特殊的激活因子PA200确实能识别乙酰化的组蛋白并促进它们的降解。由于体细胞中也PA200, 我们也就有了研究体细胞中乙酰化介导的组蛋白降解的线索。最终实验结果表明,体细胞中的组蛋白在DNA损伤修复时,也能通过乙酰化介导的蛋白酶体通路降解。

生物通:数十年的研究已证实了组蛋白和其翻译后修饰在基因调控,以及将这些改变传递到下一代细胞中的重要性。精子作为受精卵组成的一部分,其重要性不言而喻,您的这项研究在精子发生过程中得到了验证,并指出其中只有少量的组蛋白相关表观遗传信息传递给了下一代,那么这个选择过程是如何进行的呢?细胞如何知道哪些信息需要降解,哪些不需要呢?

教授:我们并不是第一个发现精子中只有少量组蛋白可传给下一代,该现象在上世纪70年代就有人发现了,我们只是发现它们通过蛋白酶体降解的机理。至于如何选择,非常复杂。我们仍在研究中。

生物通:组蛋白乙酰化和去乙酰化与基因调控关系密切,这项研究发现的这种由PA200介导的乙酰化降解过程,与常见的乙酰化修饰过程存在差异吗?

教授:乙酰化修饰过程可能没有太多的特殊性,可能只是PA200识别乙酰化的机制与其它的乙酰化结合蛋白不一样。

生物通:我们知道,组蛋白的乙酰化与其他的泛素化,甲基化修饰等之间也存在关联,那么这种乙酰化降解过程,是否也涉及或者影响到了其他的修饰方式呢?

教授:我们有数据显示乙酰化介导的组蛋白降解仍可能需要其它修饰的辅助作用。

生物通:此前同样是发表在Cell杂志上一篇文章中,中科院的刘江博士等人发现精子的表观遗传修饰影响了早期胚胎发育,您认为在精子发生过程中出现的组蛋白降解,是否也会影响到胚胎发育呢?

教授:刘江博士的研究也非常重要,精子DNA甲基化的强势作用可能正好弥补了精子中组蛋白稀缺的不足。但剩余的精子组蛋白,尽管很少,应仍在胚胎发育中起着重要的作用。同时,卵子中仍有大量的组蛋白,是不是在胚胎发育中起到补充作用呢?

原文摘要:

Acetylation-Mediated Proteasomal Degradation of Core Histones during DNA Repair and Spermatogenesis

Histone acetylation plays critical roles in chromatin remodeling, DNA repair, and epigenetic regulation of gene expression, but the underlying mechanisms are unclear.  Proteasomes usually catalyze ATP- and polyubiquitin-dependent proteolysis. Here we show that the proteasomes containing the activator PA200 catalyze the polyubiquitin-independent degradation of histones. Most proteasomes in mammalian testes (“spermatoproteasomes”) contain a spermatid/sperm-specific
a-subunit a4s/PSMA8 and/or the catalytic b-subunits of immunoproteasomes in addition to PA200. Deletion of PA200 in mice abolishes acetylation-dependent degradation of somatic core histones during DNA double-strand breaks, and delays core histone disappearance in elongated spermatids. Purified PA200 greatly promotes ATP-independent proteasomal degradation of the acetylated core histones, but not polyubiquitinated proteins. Furthermore, acetylation on histones is required for their binding to  the bromodomain-like regions in PA200 and its yeast ortholog, Blm10. Thus, PA200/Blm10 specifically targets the core histones for acetylation-mediated degradation by proteasomes, providing mechanisms by which acetylation regulates histone degradation, DNA repair, and spermatogenesis.

作者简介:

邱小波(博士)教授、博士生导师

1984年在安徽师范大学生物系获学士学位, 1989年在浙江农业大学蔬菜专业获硕士学位。1992年赴美国留学,并于1996年在美国南加州大学分子药理与毒理专业获得博士学位。19972005年在美国哈佛大学医学院任Research Fellow2005-2006年在美国加州Burnham医学研究所任Staff Scientist2005年回国工作。先后获国家杰出青年基金和国家人事部高层次留学人才回国资助基金,并入选 新世纪百千万人才工程国家级人选多年来,一直从事蛋白质降解和细胞凋亡的研究,揭示了泛素连接酶Nrdp1介导的细胞凋亡抑制蛋白BRUCE的降解是引发细胞凋亡的新途径,发现了具有促进去泛素化酶活性的蛋白酶体亚单位hRpn13等。主持编写了国内第一部介绍蛋白质降解的专著《泛素介导的蛋白质降解》(2008)。参与主讲国家双语示范课程和国家精品课程《分子生物学》。2008年至今,任中国《科学通报》编委。

代表性论文(*通讯作者)

1.      Qian, M., Pang, Y., Liu, C., Haratake, K., Du, B., Ji, D., Wang, G., Zhu, Q., Song, W., Yu, Y., Zhang, X., Huang, H., Miao, S., Chen, L., Zhang, Z., Liang, Y., Liu, S., Cha, H., Yang, D., Zhai, Y., Komatsu, T., Tsuruta, F., Li, H., Cao, C., Li, W., Li, G., Cheng, Y., Chiba, T., Wang, L., Goldberg, A.L., Shen, Y., and Qiu, X.-B.* (2013) Acetylation-Mediated Proteasomal Degradation of Core Histones during DNA Repair and Spermatogenesis.  Cell 153, 1012-1024.

2.      Chen, Y.S., and Qiu, X.B.* (2012). Transcription-coupled replacement of histones: degradation or recycling? J Genet Genomics 39, 575-580. (Review article)

3.      Tcherpakov, M., Broday, L., Delaunay, A., Kadoya, T., Khurana, A., Erdjument-Bromage, H., Tempst, P., Qiu, X.B., DeMartino, G.N., and Ronai, Z. (2008) JAMP Optimizes ERAD to Protect Cells from Unfolded Proteins. Mol Biol Cell 19(11):5019-28.

4.      Yin, X., Ouyang, S., Xu, W., Zhang, X., Fok, K.L., Wong, H.Y., Zhang, J., Qiu, X., Miao, S., Chan, H.C., and Wang, L. (2007). YWK-II protein as a novel Go-coupled receptor for Müllerian Inhibiting Substance in cell survival. Journal of Cell Science 120, 15211528.

5.      Qiu, X.B.*, Ouyang, S.Y., Li, C.J., Miao, S., Wang, L., and Goldberg, A.L. * (2006) hRpn13/ADRM1/GP110 is a novel proteasome subunit that binds the deubiquitinating enzyme, UCH37. EMBO J. 255742-5753.

6.      Liu, X., Huang, W., Li., C., Li, P., Yuan, J., Li, X., Qiu, X.B., Ma, Q., and Cao, C.(2006) Interaction between c-Abl and Arg Tyrosine Kinases and Proteasome Subunit PSMA7 Regulates Proteasome Degradation.  Molecular Cell 22, 317-327.

7.      Qiu, X.B.*, Shao, Y.M., Miao, S., and Wang, L.* (2006) The diversity of the DnaJ/Hsp40 family, the crucial partners for Hsp70 chaperones. Cellular and Molecular Life Sciences 63, 2560-2570 (Review article).

8.      Qiu, X.B.* and Goldberg, A. L.* (2005) The membrane-associated inhibitor of apoptosis protein, BRUCE/Apollon, antagonizes both the precursor and mature forms of Smac and caspase-9. J. Biol. Chem.  280,174-182.

9.      Qiu, X.B.*, Markant, S.L., Yuan, J., and Goldberg, A.L.* (2004) Nrdp1-mediated degradation of the gigantic IAP, BRUCE, is a novel pathway for triggering apoptosis. EMBO J. 23, 800-810.

10.  Qiu, X.B.* and Goldberg, A. L.* (2002) Nrdp1/FLRF is a ubiquitin ligase promoting ubiquitination and degradation of the epidermal growth factor receptor family member, ErbB3.  Proc Natl Acad Sci U S A  99, 14843-14848.

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