Nature Plants发现塑造着丝粒分布的机制

研究结果发表在《自然植物》杂志上。

在细胞分裂过程中，被称为着丝粒的特殊染色体区域被拉到细胞的两端。细胞分裂完成，细胞核形成后，着丝粒在细胞核内呈空间分布。如果被拉向两极的着丝粒的分布保持不变，那么细胞核中只有在细胞核的一侧聚集着着丝粒。这种着丝粒的不均匀分布被称为拉伯构型，以19世纪的细胞学家卡尔・拉伯命名。有些物种的细胞核呈现出着丝粒的分散分布，称为非rabl构型。

通讯作者、东京大学前沿科学研究生院教授Sachihiro Matsunaga说:“几个世纪以来，Rabl或非Rabl构型的生物功能和分子机制一直是一个谜。”“我们成功地揭示了构建非rabl构型的分子机制。”

研究人员研究了植物拟南芥(也被称为thale cress)和一个已知具有非Rabl配置的标本，以及具有Rabl配置的突变形式。通过他们的工作，他们发现被称为凝聚蛋白II (CII)的蛋白质复合体和被称为核骨架和共骨架(LINC)复合体的蛋白质复合体共同作用，决定了细胞分裂过程中着丝粒的分布。

Matsunaga说:“非rabl构型的着丝粒分布是由CII- LINC复合体和一种称为拥挤核(CRWN)的核层蛋白独立调控的。”

研究人员发现的着丝粒分布两步调节机制的第一步是CII-LINC复合体介导着丝粒从后期到末期的分散――细胞分裂结束的两个阶段。该过程的第二步是crwn稳定细胞核内核薄片上分散的着丝粒。

接下来，为了探索其生物学意义，研究人员分析了拟南芥及其rabl -结构突变体的基因表达。由于着丝粒空间排列的改变也会改变基因的空间排列，研究人员希望发现基因表达的差异，但这一假设被证明是不正确的。然而，当施加DNA损伤胁迫时，突变体的器官生长速度比正常植物慢。

Matsunaga说:“这表明对着丝粒空间排列的精确控制是器官生长对DNA损伤应激的响应所必需的，而非Rabl基因和Rabl基因的有机体对DNA损伤应激的耐受性没有区别。”“这表明，无论Rabl构型如何，细胞核中DNA的适当空间排列对应激反应都很重要。”

根据Matsunaga的说法，下一步是确定改变特定DNA区域空间排列的能量源和识别特定DNA的机制。

他说:“这些发现将引导技术的发展，使细胞核中的DNA以适当的空间排列人为排列。”“预计这项技术将使创造抗应力生物成为可能，并通过改变DNA的空间排列而不是编辑其核苷酸序列赋予新的特性和功能。”

Journal Reference:

Takuya Sakamoto, Yuki Sakamoto, Stefan Grob, Daniel Slane, Tomoe Yamashita, Nanami Ito, Yuka Oko, Tomoya Sugiyama, Takumi Higaki, Seiichiro Hasezawa, Maho Tanaka, Akihiro Matsui, Motoaki Seki, Takamasa Suzuki, Ueli Grossniklaus, Sachihiro Matsunaga. Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins. Nature Plants, 2022; DOI: 10.1038/s41477-022-01200-3