Cell：新技术解决细胞分裂争议

科学家开发了一种在复合体中计数荧光分子的新方法，揭示了着丝粒蛋白核心的组成，解决了细胞生物学界的热点争议。文章发表在２０１２年７月２０日的Cell杂志上。

　　

生物通报道：美国Stowers医学研究所的科学家开发了一种在复合体中计数荧光分子的新方法，并通过该方法解决了细胞生物学界的热点争议，即DNA如何组成着丝粒。这一研究成果有助于人们理解细胞分裂机制，和细胞避免分裂后出现染色体数异常的方式。

着丝粒是介导染色体分离的特殊结构，位于姐妹染色单体“X”型交汇点，是在细胞分裂时连接两个姐妹染色单体的DNA结构。细胞分裂时，细胞内的复杂机制抓住着丝粒，将姐妹染色单体分别拉到细胞两端，使其各自进入两个子细胞。

在着丝粒处，DNA短链围绕着蛋白核心形成核小体。酵母中位于核小体中心的蛋白是Cse4，且这种蛋白只位于核小体中。日前，Stowers的副研究员Jennifer Gerton博士通过活细胞成像技术揭示了着丝粒蛋白核心的组成。文章发表在２０１２年７月２０日的Cell杂志上。

“由于着丝粒具有维持基因组稳定性的重要作用，了解着丝粒非常关键，”Gerton说。“染色体缺失对于任何细胞来说都是灾难性的。而这如果发生在精子或卵子中，就会造成唐氏综合症等疾病。”

此前人们发现的着丝粒结构至少有６种，也引发了大量争议。研究人员分别在酿酒酵母和哺乳动物细胞中，研究了细胞分裂的机制。 研究显示，着丝粒核小体在细胞分裂期间会改变其组成，这就解释了为何人们观察到了不同的核小体结构，原因很可能是观察的细胞分裂阶段不同。”

研究人员使酵母细胞表达连有绿色荧光蛋白GFP的Cse4蛋白，并结合了两种显微分析方法来进行检测，在活细胞中跟踪并计数着丝粒核小体的Cse4分子。这项研究对于显微镜工作者来说，就是能在酵母细胞内的一个荧光点中观察到多少GFP份子。

研究人员结合了荧光关联谱技术FCS和calibrated imaging，这听起来挺复杂，不过实际上结果分析都用不着计算器。

酵母细胞有16个染色体，各带有一个着丝粒。如果各着丝粒只含有一个拷贝的Cse4，那么每个细胞中的荧光点就应该比单个GFP分子亮16倍。事实也的确如此，只不过仅在细胞分裂前。一旦姐妹染色单体分离并移动到细胞两端，细胞分裂进入后期，信号的强度就增加了。

研究人员意识到细胞分裂早期观察到的16个Cse4-GFP分子，在后期变为32个Cse4-GFP分子。这使他们非常惊讶，因为这意味着核小体的组成在改变。进一步分析发现，细胞分裂后期，着丝粒核小体的一个组分Scm3被踢出核心复合体，被额外的Cse4分子取代，改变了着丝粒的形态和大小。

文章第一作者Manjunatha Shivaraju博士通过另一个途径验证了该发现。研究发现，细胞分裂后期着丝粒处两个Cse4分子发生了相互作用，Cse4编入而Scm3缺失。上述现象只在细胞分裂后期出现，支持了显微观察的结果。

研究人员还发现，在酵母和人体细胞中核小体发生上述结构改变的时机不同，但人体细胞着丝粒和酵母着丝粒都在细胞周期中经历了相似的动力学变化。

细胞分裂错误会带来灾难性的后果，大多数癌细胞都是非整倍体（细胞中的染色体数量异常），而了解着丝粒能够帮助人们在分子水平上了解非整倍体的发生。

这项研究不仅解决了细胞生物学界有关着丝粒结构的争议，同时也强调了酵母作用为模式生物的可行性。核小体结构在人体细胞和酵母中的保守性，说明酵母是研究细胞分裂分子机制的理想模型。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Cell-Cycle-Coupled Structural Oscillation of Centromeric Nucleosomes in Yeast

The centromere is a specialized chromosomal structure that regulates chromosome segregation. Centromeres are marked by a histone H3 variant. In budding yeast, the histone H3 variant Cse4 is present in a single centromeric nucleosome. Experimental evidence supports several different models for the structure of centromeric nucleosomes. To investigate Cse4 copy number in live yeast, we developed a method coupling fluorescence correlation spectroscopy and calibrated imaging. We find that centromeric nucleosomes have one copy of Cse4 during most of the cell cycle, whereas two copies are detected at anaphase. The proposal of an anaphase-coupled structural change is supported by Cse4-Cse4 interactions, incorporation of Cse4, and the absence of Scm3 in anaphase. Nucleosome reconstitution and ChIP suggests both Cse4 structures contain H2A/H2B. The increase in Cse4 intensity and deposition at anaphase are also observed in Candida albicans. Our experimental evidence supports a cell-cycle-coupled oscillation of centromeric nucleosome structure in yeast.