着丝粒分布控制基因组完整性和应激反应

就像你可能用皮带固定衣服一样，着丝粒将一对染色单体固定在一起，并在细胞分裂过程中将其附着在有丝分裂纺锤体上，以确保每个子细胞最终拥有正确数量的染色体。每条染色体只有一个着丝粒。着丝粒由紧密包装、快速进化且具有保守功能的卫星DNA组成，在多个层面上提出了难题。

自从他们发现以来，科学家们注意到，细胞分裂期间细胞核中着丝粒的排列因物种、细胞类型、细胞周期阶段和细胞特化状态而异，但它们看似随机的核分布的潜在机制和到目前为止，它的生物学意义是显而易见的。

在2022年8月1日发表在《自然植物》杂志上的一项题为“凝缩蛋白II和核膜蛋白对着丝粒分布的两步调节”的新研究中，由东京大学科学家领导的国际团队发现控制着丝粒在细胞核中如何分散的机制的证据表明，着丝粒在细胞核中的分布在维持基因组完整性方面发挥着至关重要的作用，特别是在胁迫下。

即使细胞完成分裂，附着在微管上并在有丝分裂期间被拉至细胞相对两极的染色体着丝粒仍保留在染色质结构中。如果细胞分裂时着丝粒的位置没有改变，它们就会聚集在细胞核的一侧。这种着丝粒分布的默认模式被称为Rabl配置，以纪念19世纪细胞学家CarlRabl，他是第一个注意到染色体在整个细胞分裂过程中连续性的人。在Rabl配置中，染色单体的自由端(称为端粒的浓缩染色质的另一个区域)聚集在细胞核相对于着丝粒的另一端。

另一方面，在一些物种中，着丝粒和端粒均匀地分布在细胞核的外围。这称为非Rabl配置，涉及着丝粒和端粒在间期(有丝分裂之间的时期)的主动重排。

“几个世纪以来，Rabl或非Rabl构型的生物学功能和分子机制一直是个谜，”东京大学前沿科学研究生院教授、该论文的通讯作者SachihiroMatsunaga博士说。“我们成功揭示了构建非Rabl构型的分子机制。”

使用植物拟南芥(也称为拟南芥)作为非Rabl配置的模型及其具有Rabl配置的突变形式，科学家们发现了蛋白质复合物CII(凝缩蛋白II)和LINC(核骨架和细胞骨架的连接物)共同确定细胞分裂过程中着丝粒的分布。

“非Rabl配置的着丝粒分布由CII-LINC复合物和称为CRWN(拥挤核)的核纤层蛋白独立调节，”Matsunaga说。

CII在着丝粒处丰富。CII与LINC一起，在后期后期(细胞膜内陷)和末期(子细胞在细胞分裂末期物理分离)期间将着丝粒分散在核外围。这是两步机制的第一步。一旦细胞分裂并进入间期，CRWN蛋白就会在第二步中稳定核膜内表面上分散的着丝粒的位置。

人们可能认为着丝粒和端粒的位置可以影响染色质的组织，从而调节基因表达。为了检验这一假设，作者分析了具有非Rabl结构的拟南芥及其Rabl结构突变体的基因表达谱。令他们惊讶的是，他们发现基因表达几乎没有差异，这表明无论着丝粒分布的类型如何，染色质组织的稳健性。

然而，当研究人员施加DNA损伤应激时，他们观察到具有Rabl结构配置的突变体器官的生长速度比正常植物慢。

Matsunaga说：“这表明，为了响应DNA损伤应激，器官生长需要精确控制着丝粒空间排列，并且非Rabl和Rabl生物体对DNA损伤应激的耐受性没有差异。”“这表明，无论Rabl构型如何，DNA在细胞核中的适当空间排列对于应激反应都很重要。”

未来的研究将集中于确定特定DNA区域空间排列的能量触发因素以及识别特定DNA的机制。识别这些机制有助于开发操纵核DNA排列的方法，从而有助于在不改变核苷酸序列的情况下开发抗应激生物体。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！