去泛素化酶USP19在乳腺癌发生发展中的作用机理研究

Histone ubiquitination together with acetylation and methylation form histone codes, and their synergistic or exclusive links and dynamic changes involving in gene transcriptional regulation are the key issues in epigenetics research. The number of deubiquitinated enzymes (DUBs) currently identified is about 98 in humans and their functions are poorly understood. By high-throughput screening, we explored the proteome that interacts with USP19 and its role in the histone ubiquitination. In the project, we will focus on breast cancer as the research object and utilize molecular and cell biology techniques, to further identify USP19 activity as histone deubiquitinase, the physical and functional relationships between NuRD complex and USP19, and target genes and signaling pathways co-regulated, and then explore the biological effects of USP19 on proliferation and metastasis of breast cancer in vivo. The study will illustrate the new substrates and unknown target genes for USP19 as deubiquitinase, explore the epigenetic mechanism in the initiation and development of breast cancer, and explain the subcellular localization and enzyme activity of the hot spot mutation in breast carcinogenisis, providing the molecular basis and theoretical basis of USP19 as a potential target for the diagnosis and treatment of breast cancer.

组蛋白泛素化和乙酰化、甲基化等共同形成组蛋白密码，他们之间协同或互斥及动态改变参与基因转录调控是表观遗传学研究的关键问题。目前鉴定出的去泛素化酶（DUB）在人中约98个，他们功能大都知之甚少。前期我们发现USP19是肿瘤中发生突变频率最高的DUB之一，利用高通量筛选我们探究了与USP19相互作用的蛋白质组及其作用的组蛋白泛素化位点。本项目将利用分子细胞生物学技术，以乳腺癌为研究对象进一步鉴定USP19去泛素化酶活性、与NuRD复合体在物理及功能上的内在联系及共同调控的靶基因及信号通路，继而探究USP19对乳腺癌增殖及转移等体内生物学效应。该研究将鉴定USP19去泛素化的作用底物、与组蛋白乙酰化修饰的交互对话及其调控靶基因，探讨其在乳腺癌发生发展中的表观遗传作用机理，阐释其热点突变在亚细胞定位、酶活性等异常而致癌的调控机制，为USP19作为诊治乳腺癌的潜在靶标提供分子基础和理论依据。

组蛋白泛素化和乙酰化、甲基化等共同形成组蛋白密码，他们之间协同或互斥及动态改变参与基因转录调控是表观遗传学研究的关键问题。我们发现肿瘤中发生突变频率最高的DUB之一，USP19可催化H2BK120和H3K56去泛素化，并且与NuRD复合物发生相互作用，在乳腺癌的发生发展中发挥着重要作用；USP11催化组蛋白H2AK119和H2BK120去泛素化，USP11通过与染色质重塑NuRD复合体相互作用使USP11介导的组蛋白去泛素化和与NuRD相关的组蛋白去乙酰化相协调，可以及时终止DNA修复和染色质结构的重塑；乳腺癌细胞中HIF-1α转录激活JFK，而敲低JFK导致HIF-1α诱导的乳腺癌糖酵解的减少，增强缺氧乳腺癌细胞对放化疗的敏感性；发现泛素连接酶SCFJFK通过泛素依赖的蛋白酶体途径下调ING5蛋白水平，JFK-ING5轴通过抑制脂肪酸氧化过程中ACOX1、HADHA及AMPK1等基因的表达，进而干扰细胞的脂肪酸氧化，阐释了JFK在脂质代谢中的生物学效应，为了解脂质稳态平衡提供新的理论基础，为治疗肥胖和非酒精性脂肪肝等代谢性疾病提供新的治疗靶点及思路；发现在细胞核中存在一个非经典的TCA循环通路，除组成ATP氧化呼吸电子传递链的琥珀酸脱氢酶不在细胞核内，剩余的TCA循环中所有的酶均存在于细胞核内，其中间产物可直接作用于表观修饰影响染色质可及性，揭示了nTCA的主要功能不是产生能量，而是为表观修饰调控适时适量地提供底物，该循环将代谢途径与表观遗传调控联系起来，为真核生物的复杂性和进化提供了新的思路；围绕着组蛋白乳酸化对细胞可塑性的调控机制，揭示了组蛋白乳酸化通过染色质重塑促进了丙酮酸激酶PKM2的转录，后者作为糖酵解的关键酶，继而促进糖酵解，由此形成了乳酸-组蛋白乳酸化-糖酵解的正反馈环路，当加入PKM2 抑制剂或特异性敲除Pkm2，可中断反馈环路，可改善细胞及动物表型，阐述了组蛋白乳酰化这一表观调控决定细胞命运的重要病理意义，为疾病治疗提供了干预策略。