科学家解开跨越几个世纪的谜团

　　图片来源：Sachihiro Matsunaga，东京大学
　　上部面板显示非 Rabl 配置。洋红色着丝粒分散在绿色的原子核中。下面的面板显示了 Rabl 配置。着丝粒在细胞核中分布不均匀。 生物学家发现了塑造着丝粒分布的机制。
　　自1800年代以来，科学家们已经注意到着丝粒的配置，这是一种特殊的染色体区域，对细胞核中细胞分裂至关重要。然而，到目前为止，着丝粒分布的决定机制和生物学意义知之甚少。最近，研究人员提出了一种两步调控机制，可以塑造着丝粒分布。他们的发现还表明，细胞核中的着丝粒构型在维持基因组完整性方面起着重要作用。
　　研究结果发表在今天（2022年8月1日）的《自然植物》杂志上。该研究由东京大学的研究人员及其合作者领导。
　　在细胞分裂过程中，称为着丝粒的特殊染色体结构域被拉到细胞的两端。在细胞分裂完成并构建细胞核后，着丝粒在细胞核中空间分布。如果拉到两极的着丝粒的分布保持不变，则细胞核的着丝粒将仅在细胞核的一侧分组。这种不均匀的着丝粒分布被称为拉布尔构型，以19世纪的细胞学家卡尔·拉布尔（Carl Rabl）的名字命名。一些物种的细胞核显示出着丝粒的分散分布。这称为非 Rabl 配置。
　　＂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，＂通讯作者，东京大学前沿科学研究生院教授Sachihiro Matsunaga说。＂我们成功地揭示了构建非Rabl构型的分子机制。
　　着丝粒（洋红色）在原子核（绿色）中的不均匀分布。图片来源：Sachihiro Matsunaga，东京大学
　　科学家们研究了植物拟南芥，也被称为thale cress和已知具有非Rabl构型的标本，以及具有Rabl构型的突变形式。通过他们的工作，他们发现称为缩合素II（CII）的蛋白质复合物和称为核骨骼和coto骨架（LINC）复合物连接子的蛋白质复合物共同作用以确定细胞分裂过程中的着丝粒分布。
　　＂非Rabl构型的着丝粒分布由CII-LINC复合物和称为CROWDED NUCLEI（CRWN）的核层蛋白独立调节，＂Matsunaga说。
　　研究人员发现的着丝粒分布的两步调控机制的第一步是CII-LINC复合物介导着着丝粒从晚期到端粒期的散射 - 细胞分裂结束时的两个阶段。该过程的第二步是CRWN稳定细胞核内核层上的散射着丝粒。
　　接下来，为了探索生物学意义，研究人员分析了拟南芥及其Rabl结构突变体中的基因表达。由于着丝粒空间排列的变化也会改变基因的空间排列，研究人员期望发现基因表达的差异，但这一假设被证明是不正确的。然而，当施加DNA损伤应激时，突变体以比正常植物慢的速度生长器官。
　　＂这表明，响应DNA损伤应激的器官生长需要精确控制着丝粒空间排列，并且具有非Rabl和Rabl的生物体之间对DNA损伤应激的耐受性没有差异，＂Matsunaga说。＂这表明，无论Rabl配置如何，细胞核中DNA的适当空间排列对于应激反应都很重要。
　　根据Matsunaga的说法，接下来的步骤是确定改变特定DNA区域空间排列的电源以及识别特定DNA的机制。
　　＂这些发现将导致以适当的空间排列在细胞核中人工排列DNA的技术的发展，＂他说。＂预计这项技术将有可能创造抗应激的生物体，并通过改变DNA的空间排列而不是编辑其核苷酸序列来赋予新的特性和功能。