UHRF蛋白作为表观遗传整合因子，协调DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑的过程

《Molecular Aspects of Medicine》：UHRF proteins as epigenetic integrators coordinating DNA methylation, histone modifications, and chromatin remodeling

摘要
UHRF1和UHRF2是具有多结构域的表观遗传调控因子，它们在结构上相似，但在功能上略有差异。UHRF1的主要功能是参与复制过程中DNA甲基化的维持。UHRF1能够识别半甲基化DNA和特定的组蛋白状态，并招募DNMT1到新复制的染色质中。这一功能对于忠实地传递DNA甲基化和维持细胞身份至关重要。在多种癌症中，UHRF1的异常活性与染色质异常调控、基因组不稳定、肿瘤进展以及对治疗的耐药性有关。UHRF2则优先结合5-羟甲基胞嘧啶（5hmC），这种胞嘧啶修饰在脑组织和分化后的有丝分裂细胞中尤为丰富。通过这种识别，UHRF2能够招募染色质和DNA修复因子（包括XRCC1），从而将5hmC与染色质调控和修复过程联系起来。尽管UHRF2-5hmC-XRCC1轴的机制已有直接的生化证据支持，但其在大脑调控、记忆和发育中的更广泛作用主要基于遗传模型和特定环境下的观察结果。这两种蛋白都会经历翻译后修饰，如磷酸化、泛素化、乙酰化和SUMO化，这些修饰会影响蛋白的稳定性、定位、染色质结合和分子活性。本文综述了UHRF1和UHRF2的结构域架构、DNA和组蛋白识别机制、细胞周期调控、基因组维持功能、与疾病的关联以及治疗意义，重点探讨了UHRF1相关的表观遗传继承与UHRF2相关的5hmC依赖性染色质可塑性的区别。此外，还讨论了新的治疗策略，如结构域选择性抑制和靶向蛋白降解，并区分了临床前研究和已经得到临床验证的发现。

引言
表观遗传调控使细胞能够在响应发育信号、环境条件、代谢变化和细胞应激的同时建立稳定的基因表达程序（Jaenisch和Bird，2003；Chisolm和Weinmann，2018）。与基因突变不同，表观遗传修饰不会改变DNA序列，而是控制基因活性。DNA甲基化是哺乳动物细胞中最稳定的表观遗传修饰之一，参与了转录调控、基因组印记、X染色体失活、转座元件的沉默以及基因组稳定性（Bird，2002）。在DNA复制过程中，旧链上的甲基化得以保持，而新链最初没有甲基化，从而形成半甲基化DNA，必须被识别并重新甲基化以保持原有的表观遗传状态。UHRF1是一种关键的半甲基化DNA结合蛋白，它通过与半甲基化DNA相互作用并招募DNMT1到新复制的染色质中来参与这种复制耦合的维持机制（Bostick等人，2007）。UHRF1的SET和RING相关（SRA）结构域具有碱基翻转能力（Arita等人，2008；Avvakumov等人，2008），并且它还具有识别组蛋白修饰的结构域，包括未修饰和甲基化形式的组蛋白H3（Arita等人，2012）。UHRF1含有一种RING指结构域，该结构域能在组蛋白H3的赖氨酸23位点促进泛素化，从而在复制过程中招募DNMT1。因此，UHRF1是一种多结构域的表观遗传整合因子，涉及DNA识别、组蛋白修饰、染色质组织及DNA甲基化。它与细胞生长密切相关，在S期尤为重要。UHRF1的缺陷或功能障碍会影响基因组完整性、甲基化维持以及细胞对复制压力的响应（Mancini等人，2021）。在乳腺癌、肝细胞癌、结直肠癌、胰腺癌、肺癌、胶质母细胞瘤和血液系统恶性肿瘤等多种癌症中观察到UHRF1的失调。UHRF1上调与异常甲基化、肿瘤抑制基因的沉默、染色体变化、肿瘤生长以及对治疗的耐药性有关（Ashraf等人，2017）。这些关联具有情境依赖性，大部分证据来自生化、细胞或临床前研究。UHRF2是哺乳动物UHRF家族的第二个成员，比较生化研究表明其具有保守的多结构域结构（Vaughan等人，2018）。它的SRA结构域能够特异性识别由TET酶生成的5-甲基胞嘧啶（5hmC）的氧化形式（Zhou等人，2014）。这种功能差异可能是由于底物特异性的不同。UHRF2参与神经元染色质调控和记忆相关过程，在大脑和分化细胞中高度表达。在小鼠中，UHRF2缺乏会导致大脑中的5hmC减少，并影响空间学习和记忆（Chen等人，2017），支持其在神经元表观遗传稳态中的作用。UHRF2还被发现能影响局部DNA甲基化并抑制自发性癫痫发作（Liu等人，2017）。虽然结果是遗传和表型的，但尚未有直接证据表明UHRF2-5hmC通路参与了所有神经元和/或认知过程。UHRF2蛋白还可能通过结合5hmC并与依赖XRCC1的修复途径相互作用而参与DNA去甲基化（Liu等人，2021a）。直接生化证据支持UHRF2-5hmC-XRCC1机制，但它促进神经元分化和记忆中的激活及染色质开放的能力应分别考虑，因为许多观察结果基于遗传模型或特定情境的研究。这些相似性和差异有助于设计更具选择性和生物学相关性的表观遗传治疗方法。

结论
UHRF1和UHRF2具有相似的多结构域结构，但生物学活性不同。UHRF1的主要功能包括复制过程中DNA甲基化的维持、表观遗传继承、细胞增殖和基因组稳定性。UHRF2则更多涉及5hmC识别、染色质可塑性、神经元调控以及与5hmC相关的DNA修复过程。虽然这些差异为比较提供了依据，但每种旁系基因的相对重要性因细胞类型和实验条件而异。这两种蛋白的活性都受到翻译后修饰（如磷酸化、泛素化、乙酰化和SUMO化）的调控，这些修饰会影响它们的稳定性、定位、结构域活性和染色质结合（Gu等人，2024）。本文综述了UHRF1和UHRF2的保守结构及其不同的功能，包括它们的结构域组织、DNA和组蛋白识别、DNA甲基化维持、5hmC和染色质调控、基因组稳定性及DNA损伤响应、癌症和神经生物学方面的内容，并比较了这两种旁系基因在相同背景下的直接生化机制、遗传观察、相关性观察以及需要进一步验证的假设。同时，还讨论了它们的治疗潜力，并区分了实验研究和临床前研究与已经得到临床验证的应用。

方法论
本叙述性综述探讨了UHRF1和UHRF2在表观遗传和染色质调控中的生物学、分子和病理学作用。我们搜索了PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar上的2025年之前的相关出版物，使用控制词汇和自由文本词（“AND”、“OR”、“NOT”）进行搜索（Bramer等人，2017；Lefebvre等人，2019）。搜索词包括“UHRF1”、“UHRF2”、“DNA甲基化”、“5-羟甲基胞嘧啶”、“表观遗传继承”、“染色质”。

UHRF（具有PHD和RING指结构域的泛素样蛋白）家族包含两种哺乳动物旁系基因（由基因重复产生的同源蛋白）：UHRF1和UHRF2。尽管它们因五结构域设计而在结构上相似，但它们在表观遗传调控中演化出了不同的功能。这些蛋白由五个保守的段落组成：N端的UBL结构域、串联的Tudor结构域、Plant Homeodomain结构域、SRA结构域以及C端的RING指结构域。

甲基化控制和表观遗传记忆
DNA甲基化调节基因表达、染色质结构和基因组稳定性，因此在维持细胞身份中起着关键作用。在半保留DNA复制过程中，亲本DNA链上的甲基化模式得以保留，而新合成的链最初没有甲基化，形成半甲基化状态，这是复制耦合维持甲基化的分子底物（Bird，2002）。DNMT1的协调作用对于染色质重塑至关重要，UHRF1通过结合DNA甲基化、组蛋白识别和泛素信号通路参与抑性染色质的组织（Rothbart等人，2012；Nady等人，2011）。

翻译后修饰调控
UHRF蛋白的稳定性、定位、相互作用伙伴和染色质结合活性受到翻译后修饰的调控。UHRF1和UHRF2可以经历磷酸化、泛素化、乙酰化和SUMO化，这些修饰可能随细胞周期进展、DNA损伤和细胞应激而改变它们的构象和活性。这种调控效应在UHRF1中更为明显。翻译后修饰为UHRF1提供了额外的调节机制。

UHRF1和UHRF2的表观遗传调控功能各不相同，两者都与基因组维持过程相关。UHRF1主要通过复制过程中DNA甲基化、染色质组织和DNA损伤响应来维持基因组稳定性；在分化细胞中，UHRF2则与5hmC识别、DNA修复信号通路和染色质调控相关。这两种旁系基因位于染色质调控和基因组监督之间的交叉点上。