Nature子刊新研究解开“一个跨越几个世纪的谜”

自19世纪以来，科学家们已经观察到着丝粒(在某些类型的细胞分裂中至关重要的一种特殊的染色体区域)在细胞核中的配置。然而，到目前为止，人们对着丝粒分布的决定机制和生物学意义了解甚少。由东京大学的研究人员领导的一个团队最近提出了一种两步调控机制，可以塑造着丝粒的分布。他们的发现也表明着丝粒构型在维持基因组完整性方面起着重要作用。

　　

   

   

图:上面板显示非rabl配置。品红色的着丝粒分散在绿色的核中。下面板显示Rabl配置。着丝粒不均匀地分布在细胞核中。    

自19世纪以来，科学家们注意到着丝粒的结构，这是一个特殊的染色体区域，对细胞分裂至关重要，在细胞核。然而，到目前为止，人们对着丝粒分布的决定机制和生物学意义了解甚少。由东京大学的研究人员和他们的合作者领导的团队最近提出了一种两步调控机制，来塑造着丝粒的分布。他们的发现还表明，细胞核中的着丝粒配置在维持基因组完整性方面发挥着作用。

在细胞分裂过程中，被称为着丝粒的特殊染色体结构域被拉到细胞的另一端。当细胞分裂完成，形成细胞核后，着丝粒在细胞核内空间分布。如果被拉向两极的着丝粒的分布保持不变，则细胞核内的着丝粒仅聚集在细胞核的一侧。这种着丝粒的不均匀分布被称为Rabl构型，以19世纪细胞学家Carl Rabl命名。一些物种的核显示分散分布的着丝粒，这被称为非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构型的生物学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。”

研究人员研究了这种植物拟南芥它是一种已知具有非Rabl构型的样本，以及具有Rabl构型的突变体。通过他们的工作，他们发现被称为凝聚蛋白II (CII)的蛋白质复合物和被称为核骨架和共骨架连接蛋白复合物(LINC)在细胞分裂期间共同决定着丝粒的分布。

Matsunaga说:“非rabl构型的着丝粒分布是由CII - LINC复合物和被称为拥挤细胞核(CRWN)的核板蛋白独立调节的。”

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复合物介导着丝粒从后期到末期的分散——细胞分裂末期的两个阶段。该过程的第二步是CRWNs在细胞核内稳定分散在核板上的着丝粒。

接下来，为了探索生物学意义，研究人员分析了基因表达在答:芥以及它的rabl结构突变体。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错误的。然而，当施加DNA损伤胁迫时，突变体器官生长速度比正常植株慢。

Matsunaga说:“这表明，对着丝粒空间排列的精确控制对器官生长响应DNA损伤胁迫是必需的，而且非Rabl和Rabl生物对DNA损伤胁迫的耐受性没有差异。”“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。”

据松永介绍，下一步是确定能改变特定DNA区域空间排列的动力源，以及识别特定DNA的机制。

他说:“这样的发现将导致人工在细胞核中以适当的空间排列DNA的技术发展。”“通过该技术，不仅可以改变DNA的空间排列方式，而不是修改核苷酸序列，有望创造出抗胁迫的生物，并赋予新的特性和功能。”

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Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins