韩方普研究组在植物着丝粒研究取得进展

来源: 遗传与发育所 / 作者: 遗传与发育所 / 时间: 2019-11-18
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植物着丝粒结构非常复杂,含有大量重复序列。非常难以进行着丝粒区的测序及其功能解析。着丝粒区的组蛋白发生变异,部分 H3 组蛋白被 H3 变异体(植物中称为 CENH3,人类中称为CENPA)替代,CENH3 也是着丝粒区的功能分子标记。植物着丝粒区的组蛋白 H3 核小体部分被 CENH3 核小体取代,但在有丝分裂前期及早中期染色体上,着丝粒区的 CENH3 核小体与 H3 核小体是混合在一起,没有区域或是位置的专化性。但染色体进入中期准备开始完成取向分向两极时,着丝粒区内侧(inner centromere)是 H3T3 核小体形成的区域;而外侧是以 CENH3 核小体分布为主,这可能是和 spindle 的正确连接及功能动粒形成密切相关(Liu etal. 2017, Plant J)。H2A磷酸化激酶 Bub1 的定位及细胞周期变化,结合 RNAiH2A磷酸化信号变化,在玉米特殊的微小染色体、减数分裂突变体中发现这一复合物与减数分裂 I 染色体着丝粒的取向无关,而与着丝粒的活性相关(Su et al. 2017New Phy)。CENH3核小体是如何 loading 到着丝粒功能区以及着丝粒区 H3CENH3核小体的比例是大家感兴趣的问题。

中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组利用玉米 CENH3 Mu 突变体及 YFP-CENH3 转基因材料,初步进行玉米 CENH3 核小体 loading 的研究。意外得到在 6 号染色体上的 YFP-CENH3 转基因材料,玉米 CENH3 基因也在 6 号染色体上,通过杂交选育获得 6 号染色体含有 Mutator 插入 CENH3 基因及 YFP-CENH3 基因的植株,这样为进一步研究 CENH3 核小体的功能提供新的好材料。因为 Mu-CENH3 植株如果纯和,无法得到下一代。实验最初的目的是利用外源的 YFP-CENH3 fusion 蛋白来研究內源 CENH3 蛋白不存在的情况下 CENH3 核小体 loading 情况。杂合植株的体细胞免疫荧光结果表明,YFP-CENH3 核小体可以 loading 到着丝粒区。纯和 MU-CENH3/YFP-CENH3d 的种子可以萌发,但幼苗生长缓慢,两周左右幼苗枯萎(图 b)。这说明玉米着丝粒区的有些功能区无法利用外源 YFP-CENH3 核小体,必须用內源的 CENH3 核小体(图 a)。

在玉米中利用过表达和定点突变的方法对 CENH3 的定位做了系统研究。通过对 GFP-CENH3 中不同氨基酸进行定点突变然后转化原生质体,发现 N 端的 CENH3-Thr4 对于 CENH3 的着丝粒定位会有影响,而且可能是潜在的磷酸化位点。此外,C 端的 5 个氨基酸对于 CENH3 的定位是必须的(图 c),且进一步发现 CENH3 的 C 末端能和组蛋白 H4 相互作用。这暗示着缺少 C 末端的 CENH3 可能由于不能和 H4 形成稳定的核小体,从而无法维持正确的定位。而 GFP-CENH3 和 CENH3-YFP 可能由于在末端融合的荧光蛋白影响了 CENH3 的结构并降低了它与其它蛋白的互作,使得大部分过表达的融合蛋白都无法正确定位。简而言之,CENH3 的多个氨基酸位点和结构域对其定位起着关键的作用,并被其它很多因子影响。

韩方普研究组已毕业的学生冯超和工作人员袁静为该工作的共同第一作者,近期发表在 The Plant Journal 杂志上(DOI:10.1111/tpj.14606)。本项工作得到国家自然科学基金重点国际合作项目的资助。

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