Nat Commu丨楼振昆/陈佳艺合作发现E3连接酶RNF19A调控同源重组修复新机制

责编 | 酶美

DNA损伤应答 (DNA damage response, DDR) 通路对于维持基因组的稳定性至关重要。同源重组修复 (Homologous recombination, HR) 是DNA双链损伤 (DNA double-strand breaks, DSBs) 的重要修复方式之一。BRCA1/BARD1复合物是HR修复通路的核心调控蛋白, 通过各自N端的RING结构域形成异二聚体，在DSBs 位点稳定聚集，招募下游分子推动HR进程【1,2】。与p53类似，BRCA1和BARD1亦为可以穿梭于细胞核和细胞质的蛋白【3】。两者只有结合为二聚体时才能稳定锚定于染色质发挥HR调控作用，解离会导致其出核而使HR功能受到抑制。然而，BRCA1/BARD1 复合体的动态调控和差异组装的分子机制及相关功能尚待完善。

2021年11月17日，瑞金医院放疗科陈佳艺团队联合梅奥医学中心楼振昆教授课题组在Nature Communications 在线发表了题为RNF19A-mediated Ubiquitination of BARD1 Prevents BRCA1/BARD1 Dependent Homologous Recombination的研究论文。该研究首次报道了RBR家族泛素化酶RNF19A在调控BRCA1-BARD1二聚体稳定性和介导的同源重组修复中发挥着重要作用。RNF19A在不影响BARD1蛋白表达水平的情况下，可特异性泛素化BARD1，促进其核-浆转运行为，影响其与BRCA1的聚合，进而抑制BRCA1-BARD1介导的同源重组修复功能。

研究首先通过DNA损伤报告基因系统以及对DNA损伤修复通路中关键蛋白foci的检测发现RNF19A可能通过抑制BRCA-BARD1二聚体介导的同源重组修复参与调控DNA损伤修复应答反应。又通过体内外互作实验确认了RNF19A可以通过其RING1结构域和BARD1 N端的RING结构域结合，且该种结合可调控HR以及肿瘤细胞对PARP抑制剂的敏感性。RNF19A作为RBR E3家族中的一员，同样具有泛素酶活性。接下来研究通过体内外泛素实验发现RNF19A可通过K63多聚泛素链泛素化BARD1, 且依赖其泛素酶活性对DNA末端切割和HR进行抑制性调控。

研究者在检测细胞核内BARD1/BRCA1 foci形成情况的同时，发现不同RNF19A表达水平情况下细胞质内BARD1的信号强度亦出现了变化，意外发现RNF19A促进了BARD1的核-质穿梭 (nuclear-to-cytoplasmic shuttling)；而对于BRCA1，RNF19A在减少其foci的同时并未显著增加其细胞质中的表达，因而对核/质表达比的影响较小。既往研究表明与BRCA类似，在BARD1的RING结构域中亦存在一个出核序列 (Nuclear export sequence, NES)。当BARD1和BRCA1通过各自的RING结构域形成二聚体时，该NES因两者的结合而被覆盖，致使BARD1锚定于核内与BRCA1一起发挥DNA损伤应答作用，当NES暴露时，则会促进BARD1的出核进而导致两者的解离。研究者据此猜想RNF19A是否通过泛素化NES来调控BARD1。结果显示NES缺失的BARD1不能被RNF19A泛素化。研究者进一步对NES的氨基酸序列进行分析，发现该序列中存在两个保守的赖氨酸位点，双位点突变后的BARD1不能被RNF19A泛素化，且突变后BARD1与BRCA1的结合及其调控HR的功能不再为RNF19A所抑制。

最后研究者通过动物实验及对乳腺癌临床样本的分析发现RNF19A表达水平可显著影响高表达BARD1亚组的患者预后，在乳腺癌肿瘤组织中RNF19A水平的增加与BARD1核浆比下降相关联。这些结果进一步支持了RNF19A在调控BARD1/BRCA1介导的同源重组修复中具有重要功能。

总的来说，该研究揭示了BARD1受到RNF19A泛素化修饰调控后与BRCA1发生解离进而影响其同源重组修复效率的分子机制，发现并验证了RNF19A是DNA双链损伤修复中的重要调控分子。RNF19A对BRCA1/BARD1 介导的HR功能的抑制性调控可影响基因组稳定性，过度抑制或激活的HR均可存进肿瘤的发生；而在肿瘤细胞中高表达的RNF19A表现出与多种DNA损伤制剂的协同致死效应，有望成为新的肿瘤分子标记物并为以DNA双链损伤为基础的放化疗方案提供理论基础。

梅奥医学中心楼振昆教授和瑞金医院放疗科陈佳艺主任为该论文的共同通讯作者，朱茜博士和黄金舟博士为该论文共同第一作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27048-3

制版人：十一

参考文献

1.Dai.L.et al. Structural insight into BRCA1-BARD1 complex recruitment to damaged chromatin. Molecular cell, doi:10.1016/j.molcel.2021.05.010 (2021).

2.Becker, J. R. et al. BARD1 reads H2A lysine 15 ubiquitination to direct homologous recombination. Nature, doi:10.1038/s41586-021-03776-w (2021).

3. Chen, Y. et al. Aberrant subcellular localization of BRCA1 in breast cancer. Science 270, 789-791, doi:10.1126/science.270.5237.789 (1995).

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