USP1 toimii monissa DNA korjausteissä
Lähde https://link.springer.com/article/10.1007/s12013-013-9635-3
USP1 oli niitä
ensimmäisiä luonnehdittuja ubikitiinihydrolaaseja hyvin
määritellyssä DDR-tiessä. Osoitettiin, että USP1 hydrolysoi
selektiivisesti monoubikitiiniliitännäisiä proteiineista FANCD2 ja
PCNA. FA-proteiinin FANCD2 monoubikitinoiminen oli kriittisen tärkeä
tehokkaalle ICL-DNA-korjaukselle (DNA-vauriosäikeen sisäiselle
korjaukselle ) .
FANCD2-proteiinin
monoubikitinoiminen ei epävakauttanut proteiinia. Molemmat
proteiinimuodot olivat kyllä stabiileja, mutta monoubikitinoitu
FANCD2 muoto pystyi säätymään solusyklistä riippuvalla
tavalla. Kun FANCD2 proteiinin saa lysiini K561 kohtaan
monoubikitiininsa, se lokalisoituu uudelleen ja asettuu tuman
DNA-vaurion kohtaan ja pääsee tekemään interaktion BRCA1-
proteiinin ja RAD51-rekombinaasin kanssa ja FANCD2 ja BRCA2
sijoittuvat näin samaan kohtaan.
USP1- DUB havaittiin
seulottaessa entsyymejä, jotka estivät ubikitiinin irrottamista
FANCD2:sta
Solusykli säätelee
USP1-pitoisuutta kuten FANCD2-pitoisuuttakin ja USP1:n on nähty
tekevät suoraa interaktiota FANCD2:n kanssa ja lokalisoituvan samaan
kohtaan kromatiinin kanssa. Huomioitava on kuitenkin, että , in
vitro, eristetyn USP1-proteiinin deubikitinoiva ominaisuus ei ole
voimakas. Sen sijaan on tarpeen kofaktori UAF1 (WDR48), jotta
muodostuu aktiivia USP1-muotoa. UAF1 (WDR48) on WD-toiston sisältävä
proteiini, joka tekee stokiometrisen kompleksin USP1- kanssa soluissa
ja aktivoi esiin USP1-kompleksin katalyyttisen kyvyn.
Mekanistisesti UAF1 lisää USP1 kompleksin katalyyttistä
vaihtuvuutta, mutta ei lisää USP1:n affiniteettia substraattiinsa.
Tämän
deubikitinaasiluokan peptidaaseilla on tavallinen säätelyllinen
piirteensä: säätyminen DUB-kofaktoreilla tai substraattiin
sitoutumisella.
Lisäksi on
osoitettu, että USPI DUB poistaa monoubikitiinin PCNA:sta, joten se
säätelee trans-leesionaalisen-DNA-synteesin (TLS) varhaisia
vaiheita. TLS on prosessi, jossa spesiellit DNA-polymeraasit
tekevät vaurion ohituksen translesionaalisella DNA synteesillä.
Myös interaktio
UAF1 ja ELG1-proteiinien kesken rekrytoi USP1/UAF1-kompleksin
monoubikitinoidulle PCNA:lle. ELG1 on proteiini, joka osallistuu
replikaatiokompleksiin ja PCNA:n lataamiseen DNA:lle tehokasta
replikaatiota varten; ELG1 on tunnistettu itsenäisenä tekijänä
, jota tarvitaan vaimentamaan genomista instabiliteettiä.
Terminologiaa:
APC/C , Anaphase Promting Complex/Cyclosome, ( N-terminal WD40 domain
stimulates catalytic activity of Apc1)
bHLH TF, basic helic loop helix transcription factor ( i.e. MYC,
MYCN, HIF1A, TCF3,…)
BRCA1 (FANCS), DNA
repair associated , https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/?term=BRCA1
BRCA2 (FANCD1), DNA
repair associated, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/675
RAD51,
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/5888;
DNA repair
protein RAD51 homolog; BRCA1/BRCA2 containig complx, subunit 5)
CHK1 Checkpoint
Kinase 1 (Kr.11q24.2) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/1111
CPT, camptothecin, a
topoisomerase I inhibitor
DUB, Deubiquitinase
DSBR Double strand
break repair
DDR, Damaged DNA
Repair
ELG1, Enhanced level
of Genomic Instability homolog 1, Chromosomal fragility associated
gene 1 protein, ATAD5 , ATPase family AAA domain containig 5.
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/79915).
FANCD2, FA
complementation group D2, https://en.wikipedia.org/wiki/FANCD2,
FA Fanconi Anemia
HR Homologous
recombination
ICL DNA repair,
DNA interstrand crosslink repair
Ku70, a key
regulator of DSB repair by NHEJ.XRCC6
(Kr.22q13.2),(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/2547).
MMC, mitomycin C
NER, Nucleotide
excision repair
NHEJ,
Non-Homologous End Joining
PCNA Proliferating
cell nuclear antigen , ATLD2 (
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/5111)
polymerase kappa,
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/NP_057302.1
TLS, Translesional
DNA synthesis
UAF1 (WDR48) , UASP1
Associated factor 1, (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/57599)
USP1, Ubiquitin
specific proccessing protease 1, UBP, (1p31.3)
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/7398
-
USP1 Functions in Multiple Repair Pathways
-
The USP1 protein was one of the first ubiquitin hydrolases characterised as a key player in a well-defined DDR pathway. Thus, it was shown that USP1 selectively hydrolyses mono-ubiquitin adducts from the proteins FANCD2 and PCNA [62, 63]. Mono-ubiquitylation of the FA protein FANCD2 is critical for effective ICL DNA repair. The mono-ubiquitylation of FANCD2 does not destabilise the protein: both forms of the protein are equally stable; however, mono-ubiquitylation of FANCD2 is regulated in a cell cycle-dependent manner.
-
Upon mono-ubiquitylation on lysine 561, FANCD2 re-localises to nuclear DNA-damage foci, where it interacts with BRCA1 and the RAD51 recombinase and co-localises with FANCD2 and BRCA2 [64, 65, 66]. Interestingly, USP1 was identified in a screen for enzymes that prevent the removal of ubiquitin from FANCD2 [62].
-
Like mono-ubiquitylated FANCD2, USP1 levels are regulated during the cell cycle, and USP1 has also been shown to interact directly with FANCD2 and to co-localise with chromatin. Notably, however, the isolated USP1 protein does not display strong deubiquitylating activity in vitro. Instead, the co-factor, UAF1 (WDR48), is necessary to form an active USP1 enzyme. UAF1 (WDR48) is a WD40 repeat-containing protein that forms a stoichiometric complex with USP1 in cells and activates the catalytic activity of the USP1 complex [67]. Mechanistically, UAF1 increases the catalytic turnover (k cat), but does not increase the affinity of USP1 for its substrate (K M). Regulation of DUBs by co-factors or upon substrate binding is a common regulatory feature of that class of peptidases.
-
The USP1/UAF1 complex is also recruited to mono-ubiquitylated PCNA via an interaction between UAF1 and the protein ELG1, a protein involved in replication complexes and in loading PCNA onto DNA for efficient replication, and independently identified as a factor required to suppress genomic instability [68, 69].
Alkuhavainnot
USP1:stä viittasivat siihen, että matalat USP1-pitoisuudet
voisivat suojata soluja
DNA-vaurioilta.
Kuitenkin jatkotutkimuksissa arvioitiin USP1:n osuus uudestaan
geeni-inaktivaatiotutkimuksilla hiiressä ja osoittautui selväksi,
että USP1:n - poisto johti genomiseen epävakauteen. -Kohdennettu
geenideleetio hiiressä (usp1-/-) johti lisääntyneeseen
perinataaliin kuolleisuuteen ja hiiriurosten infertiliteettiin,
DNA-poikkisidosten hypersensitiivisyyteen ja
Fankonianemiafenotyyppiin. Usp1-/- hiirialkiofibroblastit osoittivat
kohonneita pitoisuuksia monoubikitinoituja FANCD2 kromatiinissa
ja FANCD2:n fokaalisen koostuman virheitä ja DNA korjaustien HR
puutttellisuutta. Kaksoispoistogeenisyys (Usp1/Fancd2) hiirissa
osoitti korkeamman tason DDR-vikatoimintaa kuin yksittäisen
Usp1:n geeninpoistotila, mikä viittaisi USP1:n omaavan DNA
vauriovasteessa (DDR) muitakin tehtäviä kuin vaikutukset
FANCD2:een.
Lisätukea saatiin
myöhemmin USP1:n kriittisesta osasta soulun suojeluksessa
DNA-vaurioilta . Tutkittiin kananpojan DT40-soluilla geenin
poistoa. Siitä aiheutui solujen hypersensitiivisyyttä DNA:ta
vaurioittaville aineille, mikä vahvasti puoltaa stiä mallia, että
USP1 on DNA:n korjauksen positiivinen säätelijä. USP1-kompleksin
irrotus DT40 -soluista johti myös lisääntyneeseen yliherkkyyteen
kamptotesiiniä (camptothecin, CPT, eräs
topoisomeraasi-I-inhibiittori), poly (ADP-riboosi)
polymeraasi-inhibiitoreita ja DNA- poikkisidoksia aiheuttavaa
agenssia mitomysiini-C: tä (MMC) kohtaan, ja lisäksi defekteihin
HR korjaustiehen. Nämä muutokset voitiin palauttaa pois, jos Ku70
poistettiin ( Se on NHEJ- DNA korjaustiessä avainsäätelijä).
Täten USP1- kompleksi on kriittinen ICL korjauksen ja HR
korjaustien säätelijä ja yhdessä FA-tien kanssa sillä on
yleensä osatehtävänä vaimentaa NHEJ- korjaustie.
-
Initial observations indicated that reduced levels of USP1 would protect cells from DNA damage [62, 63]; however, follow-up studies evaluating the role of USP1 in gene inactivation studies in mice have clearly demonstrated that USP1 depletion results in genomic instability. Targeted deletion of mouse Usp1 results in elevated perinatal lethality, male infertility, DNA cross-linker hyper-sensitivity, and a FA phenotype. Usp1 −/− mouse embryonic fibroblasts display heightened levels of mono-ubiquitylated FANCD2 in chromatin and exhibit impaired FANCD2 focus assemblyand a defect in HR repair. Interestingly, Usp1/Fancd2 double knock-out mice display a higher level of DDR dysfunction than in the Usp1 single knock-out condition, suggesting additional DDR roles for USP1 beyond its effects on FANCD2 [70].
Additional support for a critical role played by USP1 in protecting cells against DNA damage was obtained from a study in chicken DT40 cells: Usp1 disruption resulted in cellular hypersensitivity to DNA damaging agents, strongly supporting a model, whereby, USP1 is a positive regulator of DNA repair [71]. Disrupting the USP1 complex in DT40 cells also leads to increased sensitivity to camptothecin (CPT) (a topoisomerase I inhibitor), poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors and the DNA cross-linking agent mitomycin C (MMC), together with defects in HR. These defects were largely rescued by removing Ku70, a key regulator of DSB repair by NHEJ. The USP1 complex is thus, a critical regulator of ICL repair and HR and, together with the FA pathway in general, it has a role in suppressing NHEJ [72].
Sillä aikaa kun
replikaatiohaarukassa on pysähtyminen, CHK1 fosforylaatio
kontrolloi G2/M- tarkistuskohtaa. Viimeaikainen näyttö viittaa
siihen, että USP1 kontrolloi sitä takaisinsyöttösilmukkaa, joka
rajoittaa CHK1-aktiivisuutta DNA-vauriosolujen pelastamisessa.
Vaurioituneitten solujen toipumiseen osaltaan vaikuttavaa
takaisinsyöttömekanismia edustanee CHK1:n - hajoituksen
stimuloituminen monoubikitinoidun FANCD2:n välityksellä.
Lisäksi USP1 on
tarpeen estämässä DNApolymeraasi K:n poikkeavaa rekrytoimista
replikaatiohaarukkaan. Jos K-polymeraasin rekrytointi puuttuu
replikaatiohaarukasta, seuraa alentunut replikaatiohaarukan nopeus ja
lisääntynyt genominen instabiliteetti. Prosessia vaikuttaa USP1 ja
se generoituu alkuun tuloksena PCNA:n lisääntyneestä
polyubikitinoitumisesta.
Viime aikoina on
myös osoitettu NER- DNA-korjausjärjestelmässä PCNA:n
monoubikitinoitumista ja TLS-polymeraasin rekrytoitumista UV-
vaurioihin :
NER (Nucleotide
excision repair) DNA:n korjausmenetelmä voi tapahtua myös
replikaatiofaasin ulkopuolella
USP1-pitoisuuksia
kontrolloi proteiinitasossa APC/C .
Matalat
USP1-pitoisuudet tekevät mahdolliseksi runsaat UV:n aiheuttamat
PCNA-monoubikitinaatiot solusyklin G1-vaiheen aikana, mistä taas
mahdollistuu TLS-polymerasien rekrytoituminen UV-leesiokohtiin.
-
During replication fork stalling, the G2/M checkpoint response is controlled by CHK1 phosphorylation. Recent evidence suggests that USP1 controls a feedback loop that limits CHK1 activity to rescue DNA-damaged cells. Stimulation of CHK1 degradation by mono-ubiquitylated FANCD2 may thus, represent a feedback mechanism that contributes to the recovery of damaged cells [73]. In addition, USP1 is required to prevent aberrant recruitment of DNA polymerase Κ to replication forks. Lack of recruitment of polymerase Κ to the replication fork results in decreased replication fork speed and enhancement of genomic instability. The process is USP1 driven and generated as a result of elevated PCNA ubiquitylation [74]. PCNA mono-ubiquitylation and trans-lesion synthesis (TLS) polymerase recruitment to UV lesions have also recently been implicated in
-
NER, a DNA repair mechanism that can take place outside of the replication phase [75].
-
USP1 levels are controlled at the protein level by APC/CCdh1. Low levels of USP1 enable robust UV-induced PCNA mono-ubiquitylation during G1, which is likely to allow recruitment of TLS polymerases to UV lesions [76].
On löydetty myös
eräs uusi USP1 deubikitinaatioaktiivisuus. USP1 säätelee DNA:ta
sitovien proteiinien estäjiä (DI). Nämä estäjäproteiini
antagonisoivat bHLH-transkriptiotekijöitä estäen
differentioitumisen ja pitävät yllä kantasolutilaa. Eri
kudoksissa tapahtuu näiden ID- proteiinien ubikitinoitumista ja
proteosomaalista silppuroitumsita, mutta monissa neoplasmoissa nämä
inhibiittorit näyttävät välttyvän hajoitukselta . Ei ole
täydelleen selvitetty, onko tällä ID-proteiinien säätelyllä
jotain linkkiä USP1:n tunnettuihin funktioihin DNA-vauriovasteen
säätelyssä .
Samassa
tutkimuksessa kirjoityajat kuitenkin pystyivät osoittamaan, että
USP1 katalyyttisellä DUB-aktiivisuudellaan edisti in vitro
transformaatiota ja in vivo tuumorin muodostumista, mikä edelleen
tuki sitä mallia, jossa USP1 toimisi onkogeenisesti.
Yhteenvetona USP1:n
avain rooleista DNA:n korjaantumisien edistämisessä voidaan sanoa
näiden löytöjen valaisevan USP1:n mahdollisuutta olla
kiinnostava kehiteltävien antisyöpälääkkeiden kohdemolekyyli.
-
A novel function for USP1 deubiquitylating activity has recently been uncovered: USP1 regulates the stability of ID (inhibitors of DNA binding) proteins [77]. ID proteins antagonise basic-helix–loop–helix (bHLH) transcription factors to inhibit differentiation and maintain stem cell fate [78]. ID ubiquitylation and proteasomal degradation occur in differentiated tissues, but IDs appear to escape degradation in many neoplasms [79]. Whether or not the regulation of ID proteins is linked to the known functions of USP1 in regulating DNA damage responses or not remains to be fully determined. In the same study [77], the authors were able to demonstrate that USP1, through its catalytic DUB activity, promotes in vitro transformation and in vivo tumour formation, thus further supporting models in which USP1 acts as an oncogene.
Taken together with its key roles in promoting DNA repair, these findings highlight the potential of USP1 as an attractive target for developing anti-cancer drugs.
Suomennosta linkissä mainitusta lähteestä kohdasta USP1. 30.6. 2018.