遗传所韩方普研究组PNAS取得表观遗传学研究进展

　　

来自中科院遗传与发育生物学研究所，密苏里大学的研究人员发表了题为“De novo centromere formation on a chromosome fragment in maize”的文章，利用玉米三号染色体特殊材料，发现来自玉米三号染色体的片段可以稳定遗传并没有检测到玉米着丝粒的重复序列，但具有着丝粒功能分子标记如CENH3和CENPC以及组蛋白磷酸化的信号，取得了植物着丝粒表观遗传学研究新进展，相关成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

这项研究由中科院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组完成，韩方普实验室长期从事植物着丝粒的表观遗传学研究，曾在植物中首次发现着丝粒的失活现象并初步分析失活着丝粒的调控机制。文章的第一作者为韩方普实验室符书兰和吕振玲。

植物着丝粒含有大量的重复序列和反转座子，结构复杂并受表观遗传学调控。由于着丝粒的特殊表观遗传学调控机制，植物着丝粒的DNA序列暂不能直接用于植物人工染色体的构建。这也是植物人工染色体构建方法不同于人类等人工染色体的策略。

为了更好地研究植物着丝粒的结构与功能，特别是着丝粒是如何形成的？在这篇文章中，研究人员利用玉米三号染色体特殊材料，发现来自玉米三号染色体的片段可以稳定遗传并没有检测到玉米着丝粒的重复序列（CentC和CRM），但具有着丝粒功能分子标记如CENH3和CENPC以及组蛋白磷酸化的信号。

CENH3-ChiP-Seq分析结果表明玉米3号染色体长臂上一段常染色质区域（区域大小为350kb）参与并形成了功能着丝粒，序列分析350kb区域含有22个基因，其中11个基因与CENH3紧密结合。

着丝粒是基因组中的特殊区域，是能通过显微镜识别的交叉形染色体的主缢痕。科学家们在这一研究领域付出了不少努力，获得了许多重要的研究成果。

此前德国马普研究院的研究人员证实一种DNA的包装蛋白——组蛋白CenH3对染色体着丝粒的定位、功能和遗传起决定性作用。这一研究发现或将有助于研究人员开发出可用于医学基因治疗的人类人工染色体（artificial human chromosomes）。

原文摘要：

De novo centromere formation on a chromosome fragment in maize

The centromere is the part of the chromosome that organizes the kinetochore, which mediates chromosome movement during mitosis and meiosis. A small fragment from chromosome 3, named Duplication 3a (Dp3a), was described from UV-irradiated materials by Stadler and Roman in the 1940s [Stadler LJ, Roman H (1948) Genetics 33(3):273–303]. The genetic behavior of Dp3a is reminiscent of a ring chromosome, but fluoresecent in situ hybridization detected telomeres at both ends, suggesting a linear structure. This small chromosome has no detectable canonical centromeric sequences, but contains a site with protein features of functional centromeres such as CENH3, the centromere specific H3 histone variant, and CENP-C, a foundational kinetochore protein, suggesting the de novo formation of a centromere on the chromatin fragment. To examine the sequences associated with CENH3, chromatin immunoprecipitation was carried out with anti-CENH3 antibodies using material from young seedlings with and without the Dp3a chromosome. A novel peak was detected from the ChIP-Sequencing reads of the Dp3a sample. The peak spanned 350 kb within the long arm of chromosome 3 covering 22 genes. Collectively, these results define the behavior and molecular features of de novo centromere formation in the Dp3a chromosome, which may shed light on the initiation of new centromere sites during evolution.