造血發育中一個全新泛素化酶FBXO11——調節紅細胞基因轉錄

責編 | 酶美

泛素化蛋白酶體系統是哺乳動物細胞中最主要的蛋白降解機器。泛素連接酶E3決定了識別底物的特異性。底物泛素化修飾引起其或被經典的蛋白酶體系統降解或影響其生物學功能。造血幹祖細胞分化成熟至高度特化的紅細胞經歷了多個層面的分子調節，其中包括基因轉錄和蛋白質重塑。紅細胞作為人體血液最為豐富的細胞，每秒鐘需要生成200萬個新生紅細胞，成熟的紅細胞中98%的蛋白為血紅蛋白，因此絕大多數的蛋白質在造血幹祖細胞向紅細胞成熟過程中需要被清除。過去報導發現若干E3泛素連接酶可以靶向不同蛋白從而促進紅細胞生成【1-3】。但是，早期紅系祖細胞表達700種以上不同E3泛素連接酶，它們如何精密參與細胞分化及其可能的靶向底物均未知。因此，通過靶向特定泛素化酶調控其底物表達水平從而達到體外促進紅細胞生成具有重要的臨床轉化前景。

近日，美國聖裘德兒童研究醫院Mitchell J. Weiss 團隊和德國馬普生物化學研究所Brenda A. Schulman團隊在Blood 雜誌上在線發表題為FBXO11-Mediated Proteolysis of BAHD1 Relieves PRC2-dependent Transcriptional Repression in Erythropoiesis（FBXO11通過降解BAHD1解除PRC2複合物依賴的轉錄抑制從而促進紅細胞生成）的研究論文，揭示了造血發育中一個全新泛素化酶FBXO11——調節紅細胞基因轉錄的全新功能。

研究人員通過CRISPR文庫篩選靶向784個泛素化連接酶基因，系統解析泛素化酶所有成員對紅系祖細胞增殖和分化的作用。其中，正向調節紅細胞分化最為顯著的基因為泛素化連接酶FBXO11。FBXO11屬於SCF（SKP1-CULLIN1-FBOX）複合物69個FBOX家族成員之一，決定了識別底物的特異性。那麼FBXO11在紅細胞生成中靶向哪些特定底物蛋白呢？尋找泛素化酶的特定功能底物一直以來是該領域的技術難題。研究人員通過建立轉錄組和定量蛋白質組整合分析在FBXO11缺失的紅細胞系中鑑定出重要轉錄抑制蛋白BAHD1。後續的功能實驗發現BAHD1的功能喪失可部分回復FBXO11缺失引起的分化缺陷，這表明BAHD1是FBXO11的核心功能底物。

BAHD1是一個包含BAH結構域的H3K27me3的「閱讀器」，可通過招募多種轉錄抑制輔助因子發揮抑制基因轉錄的功能【4,5】。研究人員通過ChIP-seq和RNA-seq發現在紅細胞生成早期祖細胞中BAHD1結合併且抑制FBXO11激活的紅系特異基因，並且發現這類基因可以被紅系特異轉錄因子GATA1正向激活。BAHD1和GATA1在多個紅系基因的共同結合揭示出一個全新的由FBXO11降解BAHD1進而啟動激活GATA1靶基因的調控模式。

BAH家族成員通過識別H3K27me3而發揮調節特定基因的功能，這一重要的表觀沉默信號由PRC2複合物介導調控。為進一步解析FBXO11-BAHD1和表觀遺傳修飾的相互關係，研究人員在FBXO11缺失的遺傳背景下建立了靶向所有表觀遺傳修飾酶的CRISPR文庫回復突變篩選，發現PRC2複合物的核心成員EZH2，EED，SUZ12的功能喪失發揮類似BAHD1回復紅細胞分化缺陷的作用。並且研究人員首次證明PRC2複合物和BAHD1具有物理相互作用，這進一步提示BAHD1的作用依賴於PRC2複合物。

近年來，有其他課題組報導了非經典PRC2複合物對於紅細胞特異基因的激活作用【6】。本項研究提出了一種新的與PRC2複合物相互作用的泛素化酶FBXO11介導的基因激活作用模式。泛素化酶FBXO11最初發現為瀰漫性大B淋巴瘤的抑癌基因【7】。同時，BAH結構域蛋白在進化上保守，其可能參與腫瘤發生和多種發育途徑【8-11】。預期紅細胞中發現的全新調控模式FBXO11-BAHD1將引起造血發育，表觀遺傳學以及腫瘤生物學領域的極大興趣。

總之，該研究發現了紅細胞生成中的一個全新調控模式泛素化酶FBXO11通過降解核心底物BAHD1從而激活紅細胞特定基因的表達，該研究揭示了泛素化酶調控真核生物基因表達的全新模式。

美國聖裘德兒童研究醫院Mitchell J. Weiss 為本文的通訊作者。聖裘德兒童研究醫院徐鵬博士為本文的第一作者，目前徐鵬博士回國在蘇州大學血液學研究中心組建「紅細胞生成與血液疾病」實驗室。合作實驗室包括德國馬普生物化學研究所Brenda A. Schulman課題組；美國聖裘德兒童研究醫院蛋白質質譜分析平臺Junmin Peng團隊，計算生物學系Beisi Xu團隊，血液學系Yong Cheng課題組，腫瘤生物學系Chunliang Li課題組。

原文連結

https://doi.org/10.1182/blood.2020007809

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參考文獻

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