CRL4泛素化酶在染色质重塑和DNA同源重组修复过程中的功能研究

Homologous recombination pathways are important for repairing potentially lethal DNA double strand breaks (DSBs). Chromosomal DSBs are resected by 5'-nucleases to form ssDNA substrates, which is catalysed by Mre11-Rad50-Nbs1 (MRN), Ctp1, Exo1 and Rqh1-DNA2 nucleases. ssDNA is generated in the context of chromatin, but how the processing enzymes navigate through nucleosome-packaged DNA is poorly understood. Here we show that CRL4 ubiquitin ligase, is recruited to DSB ends coincident with the progression of resection and directly involved in DSB response. Loss of CRL4 impairs end resection and renders cells hypersensitive to genotoxic treatments. Intriguingly, CRL4 also participates in regulting BRCA1 (breast cancer gene) and mono-ubiquitination of histone H2B after DSB induction, and thus inhibits DSB repair. Taken together, our findings reveal a chomatin-based regulatory cascade for eliminating chromatin barrier for end resection, homologous recombination and genome stability.

CRL4（CUL4-DDB1）是参与DNA复制，损伤修复和染色质重塑等重要生物学过程的E3泛素连接酶，也是着色性干皮病等恶性肿瘤的易感因子。我们最近通过酵母遗传学发现CRL4参与染色质组蛋白泛素化的调控过程，由此激活DNA双链断裂位点5'-3'方向的长距离回切过程。因此CRL4对DSB同源重组修复所必须的单链DNA中间体是必须的表观遗传学的调控因子；在人类细胞中CRL4功能高度保守，并且与乳腺癌基因BRCA1介导的DSB信号传导通路密切相关，提示CRL4泛素化功能可能是潜在的抑癌因素。本研究将以CRL4泛素酶通路的沉默细胞系和人类肿瘤标本作为研究系统，利用突变体遗传学、分子细胞生物学以及基因或蛋白组学进一步阐明CRL4泛素连接酶调控同源重组和信号传导的分子机制，解析其功能失调导致基因组不稳定性和肿瘤发生的分子机理。本项目的成果将为开发新的肿瘤治疗靶点手段提供新的思路。

CRL4（CUL4-DDB1）是SCF类型的E3泛素连接酶家族，参与DNA复制，核苷酸切除修复和染色质重塑等重要生物学过程。本项目发现CRL4促进组蛋白H2B单泛素化，激活DNA双链断裂位点5’-3’方向的长距离回切过程，是同源重组修复关键表观遗传调控因子。我们还鉴定出WDR70是CRL4的底物适配亚基，形成CRL4WDR70复合体，将CUL4-DDB1定向招募到DNA断点，消除53BP1/Crb2对同源重组的抑制作用，从而促进DNA末端回切。CRL4WDR70还参与乳腺癌基因BRCA1介导的DSB信号传导通路，二者突变后留下相同模式的基因组印迹指纹，提示CRL4WDR70泛素化调控功能可能与BRCA1一样，是基因组维护基因和潜在的抑癌因素。本项目充分利用突变体遗传学、细胞生物学以及基因组学阐明了CRL4泛素连接酶调控表观遗传和同源重组的分子机制，揭示了一种新的基因组不稳定性和肿瘤发生的分子病理类型。本项目的成果为后续研究，特别是阐明乙肝病毒导致的同源重组缺陷型肝癌（面上项目31771580，乙肝病毒癌基因干扰同源重组修复的表观遗传机制）打下坚实的理论基础，为突破肝癌治疗的困境提供新的机遇。