Nature Plants | 日本学者揭示凝集素II和核膜蛋白对着丝粒分布的两步调控机制

2022年8月1日，日本东京理科大学Takuya Sakamoto、东京大学Sachihiro Matsunaga等科研学者在国际著名期刊Nature Plants发表题为“Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins”的研究论文。本研究通过对着丝粒分布缺陷突变体进行细胞遗传学和分子生物学分析，揭示了凝集素II和核膜蛋白对着丝粒分布的具体调节作用，证明了着丝粒分布对于维持基因组完整性具有重要意义。

https://doi.org/10.1038/s41477-022-01200-3

着丝粒是一种特殊的染色体结构域，在所有真核生物的染色体中普遍存在。着丝粒结构对于有丝分裂过程中染色体的均分是不可或缺的。细胞核内着丝粒的排列因物种和细胞类型而异。着丝粒分布分为两种类型：Rabl和非Rabl构型。在Rabl构型中，着丝粒聚集在细胞核的一侧。在非Rabl构型中，着丝粒和端粒均匀地分散在细胞核内。曾有报道，凝集素II、核骨架和细胞骨架复合体连接体(LINC)等物质影响着丝粒的分布。然而，决定着丝粒分布的具体机制及其生物学意义仍需探究。

研究者首先使用GFP观察了凝集素II蛋白的定位情况。观察显示，在核质和核仁中均可检测到CAP-G2-GFP的信号(图1a)。通过对有丝分裂细胞周期中CAP-G2-GFP进行延时成像分析，在中期前80 min观察到凝缩素II的斑点样定位，并在中期后40 min左右消失(图1b)，对应着有丝分裂的G2晚期和G1早期。通过观察荧光融合着丝粒组蛋白（CENH3）的定位情况，发现凝集素II在着丝粒上的特异性富集（图1c）。

为了确定凝集素II如何参与细胞周期中着丝粒的动态调控，研究者对凝集素II突变体cap-h2-2进行了实时成像分析。与野生型中分散分布的着丝粒相反，cap-h2-2突变体表现出极化的着丝粒分布，几乎所有的着丝粒都聚集在细胞核的一侧(图2a)。通过计算的方法分析着丝粒分布的极化程度，再次验证了上述观点(图2b)。在野生型植株中，有丝分裂中期着丝粒排列在赤道板上，后期移向两极，在末期呈散射状分布(图2c）。而在突变体中，从后期到末期，着丝粒保持在相反的两极，一直持续到进入到下一个G1阶段。以上结果暗示着，有丝分裂后期向末期过渡过程中，凝缩素II影响着丝粒的分布。

SUN蛋白(SUN1-SUN5)是内核膜蛋白，与其他相关蛋白组成LINC复合物。由拟南芥核基质组成的蛋白，称为CRWN蛋白，位于核被膜（NE）的下方(图3a)。NE重组发生在有丝分裂后期到末期的转化过程中，与着丝粒分布的时间大致相同，那么NE相关因子是否参与着丝粒分布？为了对此进行评估，研究者分析了LINC复合物和CRWN蛋白相关突变体中着丝粒的分布情况(图3b-e)。分析显示sun突变体中着丝粒极性分布明显强于野生型。进一步，研究者使用Co-IP、酵母双杂交等实验证实了SUN蛋白与CENH3、凝缩素II组分CAP-H2、CAP-G2的相互作用。以上结果表明，LINC复合物通过SUNs、着丝粒和凝缩素II之间的相互作用，对间期着丝粒的正确分布至关重要。

crwn1/4突变体虽然没有观察到极化的着丝粒分布(图3b，c)，但crwn1/4的着丝粒数量明显低于野生型，这与cap-h2-2突变体相似。Co-IP检测中发现CRWN1与CENH3相互作用，并在间期出现共定位的情况，暗示着CRWN直接调控着丝粒的定位。实时成像显示，在有丝分裂间期crwn1/4突变体核中着丝粒是高度运动的。这一结果表明，间期CRWN稳定了核周围着丝粒的位置。通过对三重突变体cap-h2-2 crwn1/4突变体的着丝粒动态分布进行观察，显示突变体中首先出现极化的着丝粒分布，随着时间的推移，着丝粒开始四处移动(80 min后)，类似于野生型。着丝粒分布的定量分析，也显示了着丝粒从极化向分散的逐渐转移。说明CRWNs在间期持续的维持着丝粒的稳定，并且CII-LINC和CRWNs相互独立地调节着丝粒的定位。

矩阵分析显示，虽然CII-LINC和CRWNs对着丝粒分布都有重要影响，但其对参与基因表达控制的染色质组织几乎没有影响，这表明染色质组织的稳定性与着丝粒分布的类型无关。为了评价CII-LINC和CRWN介导的着丝粒分布的生物学意义，重点研究了其在维持基因组完整性方面的作用。研究者使用DNA双链断裂诱导试剂zeocin处理着丝粒分布异常的突变体。处理后，突变体cap-h2-2、crwn1/4、sun1/2主根的表型都存在缺陷，并且细胞中双链断裂更加明显。这些结果证实，在着丝粒分布异常的突变体中，基因组完整性受到损害。通过进行免疫染色，表明位于着丝粒和着丝粒间的染色质完整性受到损伤。

综上所述，本研究证明了凝缩素II和LINC复合物在有丝分裂过程中确定着丝粒分布的协同作用。本工作揭示了两个步骤的机制：Condensin II 在着丝粒处富集，并与 LINC 复合物合作，在后期/末期诱导着丝粒在核外围周围的散射分布。进入间期后，分散着丝粒的位置然后由 CROWDED NUCLEI (CRWN) 家族的核层蛋白稳定。此外，影响着丝粒分布的突变体的特征暗示着着丝粒结构可能在维持基因组完整性方面发挥作用，而不是染色质组织，这与基因表达的调控有关。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-022-01200-3

转自：植物科学SCI

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