组蛋白H2B单泛素化调控RNA聚合酶II转录中延伸至终止转换的新机制

《Communications Biology》：Histone H2B monoubiquitylation regulates elongation-to-termination transition in RNA polymerase II transcription

本研究揭示了组蛋白H2B单泛素化(H2Bub1)通过调控CDK9从延伸复合体上的解离和Dis2(PP1)的招募，进而影响Spt5去磷酸化和Pol II减速，最终确保转录终止的顺利进行。该发现阐明了H2Bub1在转录延伸向终止转换过程中的关键作用，为理解基因表达精确调控和疾病相关转录异常提供了新视角。

　　

在基因表达的精细调控过程中，RNA聚合酶II(Pol II)介导的转录需要经历起始、延伸和终止三个关键阶段。其中，从延伸向终止的转换尤为重要，这一过程的失调会导致转录通读，产生异常的嵌合转录本，甚至引发基因组不稳定性，这与病毒感染和癌症等多种疾病的发生密切相关。尽管科学家们已经提出了异构模型和鱼雷模型来解释转录终止的机制，但Pol II如何在通过切割和多聚腺苷酸化信号(CPS)后减速，以及延伸向终止转换的具体分子开关仍不清楚。

近年来研究发现，组蛋白H2B单泛素化(H2Bub1)这一表观遗传标记与转录终止有关，但其具体作用机制尚不明确。特别是在裂殖酵母和更高等生物中，H2Bub1如何调控这一关键转换过程，以及是否通过下游的组蛋白修饰或直接影响染色质结构来发挥作用，都是悬而未决的问题。

在这项发表于《Communications Biology》的研究中，Tirthankar Bandyopadhyay、Baidehi Basu和Pabitra K. Parua团队通过系统的实验分析，揭示了H2Bub1在调控Pol II转录延伸向终止转换中的核心作用。他们发现了一种新的调控范式：H2Bub1通过控制激酶CDK9和磷酸酶Dis2(PP1)在染色质上的动态平衡，从而确保转录终止的精确进行。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：利用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)在全基因组范围内分析蛋白分布；通过ChIP-qPCR验证特定基因位点的蛋白结合情况；采用RNA测序(RNA-seq)分析转录本变化；构建H2Bub1相关突变体(htb1-K119R和ubp8Δ)来研究功能丧失和功能获得效应；使用化学遗传学方法特异性抑制CDK9活性；以及通过免疫印迹(Western blot)检测蛋白修饰水平。

研究结果

Cdk9和Dis2在转录周期中的反向分布

研究人员通过ChIP-seq分析发现，当Pol II接近CPS时，Cdk9及其细胞周期蛋白伴侣Pch1从延伸复合体上解离，而Dis2(PP1的同源物)的结合在CPS之后增加，与Cdk9呈反向关系。这种分布模式在所有四个按Pol II占据情况分层的基因簇中均一致存在。

组蛋白H2B单泛素化促进Cdk9从延伸复合体释放

研究发现H2Bub1对Cdk9的染色质占据具有位置依赖性调控作用。H2Bub1缺失导致Cdk9在基因5'端和基因体内占据减少，但在CPS附近却增加。相反，H2Bub1持续存在(ubp8Δ细胞)则导致Cdk9在CPS周围的全局性减少。pSpt5的分布也呈现类似的重排模式，表明H2Bub1特异性调控延伸向终止转换过程中的Cdk9占据和Spt5磷酸化。

H2Bub1调控Dis2和CPF招募

实验表明，H2Bub1缺失显著降低Dis2在CPS之后的占据，而持续存在的H2Bub1则增强Dis2在同一区域的招募。同时，H2Bub1对CPF复合体招募也具有相似的影响模式：H2Bub1缺失减少Pfs2和Pla1等CPF因子占据，而其持续存在则增强这种招募。

H2Bub1调控Pol II终止

Pol II ChIP-seq和RNA-seq分析显示，H2Bub1缺失导致Pol II在CPS之后的分布扩展，表明存在通读转录。相反，ubp8Δ细胞中Pol II分布更为集中，表明终止效率提高。通过抑制Cdk9活性，可以挽救htb1-K119R细胞中的终止缺陷，说明Cdk9持续活性是导致终止缺陷的主要原因。

H2Bub1调控Pol II CTD磷酸化和终止因子招募

研究发现H2Bub1缺失导致Pol II CTD Tyr1(pTyr1)和Ser2(pSer2)磷酸化水平降低，同时终止因子Pcf11和Rhn1的招募减少。机制上，H2Bub1通过调控pSer2激酶Lsk1的招募来影响pSer2水平。

研究结论与意义

本研究揭示了H2Bub1在转录延伸向终止转换中的核心调控作用。在正常生理条件下，当Pol II接近CPS时，H2Bub1促进Cdk9从延伸复合体上解离，从而允许Dis2招募和pSpt5去磷酸化，导致Pol II减速并促进有效终止。而H2Bub1缺失时，Cdk9持续结合，阻碍Dis2招募，维持pSpt5磷酸化水平，促进持续延伸而非终止。

这一发现不仅阐明了表观遗传标记如何直接调控转录动力学的新机制，还为理解基因表达精确调控提供了重要见解。特别值得注意的是，H2Bub1-Cdk9-Dis2-pSpt5调控轴在裂殖酵母和更高等生物中的功能可能存在物种特异性差异，这反映了真核生物转录调控途径的进化分歧。

从更广阔的视角来看，这项研究对理解人类疾病特别是癌症的发生机制具有重要意义。异常的转录终止与致癌性嵌合融合蛋白的产生密切相关，而H2Bub1通路的失调在多种癌症中均有报道。此外，该研究还为理解选择性多聚腺苷化(APA)的调控机制提供了新线索，因为Pol II延伸速度的调控与CPS选择密切相关。

这项研究开辟了多个未来研究方向：H2Bub1如何差异性调控Cdk9在整个转录周期中的染色质占据？H2Bub1促进Cdk9从延伸复合体上驱逐的具体分子机制是什么？H2Bub1-Cdk9-Dis2-pSpt5轴是否参与调控APA和CPS选择偏好性？这些问题值得进一步深入探究，有望为基因表达调控和疾病治疗提供新的理论基础。