BRCA1蛋白的结构与功能研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇BRCA1蛋白的结构与功能研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：指出了brca1蛋白是一种结构复杂，功能多样的大分子，有多种结合位点，两端的RING和BRCT结构域能与多种相关蛋白结合。它在核内产生，但是当DNA损伤时，会发生出核现象，并且和多种磷酸化蛋白共同作用维持基因组的完整性。发现在多种肿瘤细胞中BRCA1的表达有变化或有突变，至于这些变化是否引起肿瘤尚不确定，因此对BRCA1蛋白功能的研究将有利于阐明肿瘤的发生机理。回顾和总结了BRCA1在DNA损伤修复、细胞周期、转录、细胞凋亡等细胞过程中的作用。
关键词：BRCA1；DNA损伤修复；细胞周期；转录；细胞凋亡
1引言
BRCA1是一种肿瘤抑制基因，它和多种肿瘤抑制基因共同作用，抑制肿瘤的生长。肿瘤的发生是因为局部组织的细胞在基因水平上失去了对其生长的正常调控，导致细胞异常生长，一旦控制细胞增殖及生长的基因（如生长因子）发生突变或过量表达，肿瘤疾病极有可能发生。早期研究发现，BRCA1是乳腺癌易感基因，BRCA1蛋白和多种相关蛋白共同作用维持基因组的稳定，并且受到转录控制、磷酸化和蛋白相互作用等机制的调节，最近研究表明，其蛋白功能可能还受到BRCA1亚细胞分布的功能调节[1]。而事实证明BRCA1蛋白在DNA损伤修复、细胞周期、基因转录调节、细胞凋亡等机制中发挥着重大的生物学功能。
2.1BRCA1基因的结构
BRCA1基因定位于人类染色体17q21，由24个外显子组成，包括22个编码外显子，2个非编码外显子，全长约为100Kb，转录产物mRNA为7.8Kb[2]，其中第11外显子为核心外显子，编码60%以上的氨基酸序列。该基因有两个不同的启动子promoter1和promoter2，，共同调节BRCA1的转录活性，且两者活性保持一定比例，并以promoter1为主[3]。
2.2BRCA1蛋白的结构
BRCA1蛋白是由1863个氨基酸组成的生物大分子，其N端有一个RING结构域，C端有两个纵串排列的BRCT结构，中部含有核内信号定位区（NLS1和NLS2），参与蛋白质的核内转运[4]，与其他任何已知蛋白没有同源性[5]。
3BRCA1蛋白的功能
3.1BRCA1参与DNA损伤应答
DNA损伤包括双链损伤（DSB）和单链损伤（SSB）。DSB是最常见的DNA损伤之一，在众多细胞内基因损伤中是最危险的，SSB指的是DNA双链结构中一条链的核糖-磷酸骨架锻裂，由于细胞每天都发生上万的SSBs，如果得不到及时的修复，SSBs就会产生基因碎片，甚至导致致死性DSBs。DNA损伤之后，主要是通过核苷酸切除修复，碱基切除修复，转录偶联修复，错配修复，DNA链间交联修复，同源重组修复，非同源末端修复等方法来修复损伤DNA（图2）。
图1BRCA1蛋白的结构及相关蛋白结合域
图1BRCA1在DNA损伤修复中的地位
从最近10年的研究来看，DNA损伤修复主要以ATM和ATR两条途径为主要修复手段，ATM和ATR可以使下游的靶基因磷酸化，最终磷酸化BRCA1，使BRCA1的多个结合位点活化，从而参与多种信号传导通路。
DNA损伤后，DNA损伤传感器进行探测并发出损伤信号，通过ATR、ATM传导，当信号传递到BRCA1时，其多个结构域开始活化，与多个蛋白分子相互作用形成复合体，共同定位到损伤部位并进行修复[7]。在应答DNA损伤时，最先发生的是组蛋白H2AX的磷酸化，磷酸化的H2AX和BRCA1动态结合在一起，由于BRCA1有多个结合位点，能同时结合RAD51，动态定位到亚核 foci，这种亚核foci能重新分配到DNA损伤链上[5]，对DNA进行修复。
DNA损伤促进ATM和MRN复合体结合，使之自动磷酸化和乙酰化，处于激活状态，而ATR和ssDNA-RPA作用物ATRIP结合，磷酸化Chk1并激活Chk1，最终调控细胞周期检验点，活化的ATR直接作用于BRCA1。激活状态的ATM可导致BRCA1上的Ser1387、Ser1423、Ser1457、Ser1524磷酸位点磷酸化。Chk2是ATM的靶蛋白，能与BRCA1相互作用，使BRCA1的Ser988磷酸化。
BRCA1直接与P53结合，激活P21、Gadd45等下游靶基因，选择性增强DNA修复及细胞周期检验点有关基因的表达。BRCA1与P53，BRCA2同时聚集到DNA损伤部位进行修复损伤。P53和ATF1是具有特异性位点的转录因子，BRCA1与其相互作用，调节其基因活性，并对DNA损伤进行切除修复。同时BRCA1与BRCA2、RAD51、FANCD2形成四聚体，完成DNA链间交联修复，BRCA1还可与MSH2、MSH6形成三聚体进行错配修复。
但是最新的研究发现，在部分细胞的BRCA1蛋白磷酸化中，ATM激酶并没有参与功能。Kass.Elizabethm[8]等人以小鼠体细胞为原材料，发现在ATM化学抑制剂的存在下，WT耳成纤维细胞和ES细胞中同源定位修复（HDR）会减少，但是Atmb/b细胞并不减少。
3.2BRCA1对细胞周期的调控
细胞周期进程中有3个周期检验点，分别为G1/S期、S期、G2/M期，损伤的DNA经过3个检验点时，会被减缓DNA复制的速度，直到DNA完成修复才能进入下一个分裂期。G2/M转变中，关键性蛋白Cdc2/cyclinB激酶能被BRCA1调控[9]。BRCA1表达后Chk1激酶活化，Cdc25c磷酸化后与14-3-3家族蛋白结合，从核中释放出来，同时，BRCA1能影响Well激酶及14-3-3家族蛋白的表达[9]。Well激酶抑制Cdc2/cyclinB激酶，14-3-3家族蛋白阻滞细胞质内Cdc25c以及Cdc2/cyclinB激酶的磷酸化，Cdc2调控子如Myt1，plk的活性也将发生变化[10]。另外，P53的下游基因，Gadd45由BRCA1与P53共同作用，增强其转录活性，Gadd45与Cdc2蛋白结合，抑制Cdc2/cyclinB复合物的活性，引起细胞周期阻滞。
损伤的DNA经过G1/S期检验点时，P53被激活，磷酸化多种蛋白共同聚集[11]。BRCA1与P53的结合促进P21的表达，而P21作为细胞周期抑制因子能抑制细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK的活性，影响其与CyclinE及CyclinA的结合，从而阻止细胞从G1期进入到S期。
在实验中发现缺少BRCA1基因的HCC1937人乳腺癌细胞是没有S期检验点的，当加入有功能的BRCA1时，细胞可以恢复S期检验点的功能[12]。事实证明，损伤的DNA经过G1/S期来到S期监控点时，主要是通过ATM-Chk2和ATR-Chk1两条通道完成修复[13]。激活的ATM和ATR分别磷酸化Chk2和Chk1，使之作用于下游基因，抑制周期蛋白与CDK结合，从而发生细胞周期阻滞。
3.3BRCA1参与转录调节
研究发现在BRCA1缺陷的小鼠胚胎肝细胞不能发生转录偶联修复[13]，因此可以推断BRCA1可能参与转录调控。BRCA1上有两个核定为信号NLS1，NLS2，借助核定位信号BRCA1被引导进入细胞核，发挥转录调节的功能。BRCA1的C末端结构域可以与染色质和DNA结构酶结合，通过调控组蛋白的乙酰化和去乙酰化使核小体结构发生改变，从而改变染色质的空间构象，诱导相关基因转录活性的表达。在癌症中，BRCA1与染色质修饰蛋白亲核性降低。BRCA1可以通过RNA螺旋酶调控RNA聚合酶的活性，从而调控转录过程，使损伤的DNA不能转录表达，P53，ATF1这些转录因子与BRCA1相互作用，共同调节转录基因的活性。
3.4BRCA1 与细胞凋亡及泛素化
细胞凋亡是一种受基因调控的主动的生理性细胞自杀行为，它对肿瘤的监控等多种生理过程有重要意义。BRCA1在整个细胞生活史中起着监督员的作用，当DNA损伤，各种相关因子（例如p53，RAD51）结合到损伤的DNA分子上，发生多种级联反应，激活BRCA1，活化状态的BRCA1'命令'损伤修复相关基因及蛋白共同合作，对损伤的DNA进行修复，当不能完成修复时，BRCA1抑制凋亡蛋白caspase家族的负调控子Bcl-2，Bcl-x的活性，介导细胞凋亡[14]。BRCA1对端粒酶活性有下调作用[15]，可能也和细胞凋亡有关。
BRCA1的另一个重要功能就是泛素连接酶的功能。BARD1与BRCA1的N末端锌指结构形成二聚体，具有泛素连接酶活性，降解RNA加工蛋白，它还可以识别特异性底物使其泛素化而发生功能转变或转运至蛋白酶体内消失，维持细胞代谢和生理平衡，因此我们可以推测，在维持基因组稳定过程中，BRCA1与BARD1降解富集的相关蛋白，有效地调控基因的完整性。
4结语
从DNA修复功能的比较研究中发现修复功能较强的寿命较长（如牛），寿命短的动物修复功能弱。人的修复功能也是很强的，但是随着年龄的增加，损伤修复功能降低，这也是在年老之后人类迅速衰老的原因之一。研究BRCA1蛋白结构与功能的关系，增强损伤修复的能力，人类长寿的愿望指日可待。