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汪方炜實驗室在Journal of Cell Biology发文解析染色体分离的重要调控机制

时间:2019年12月24日 访问次数:465

20191223日,我院汪方炜實驗室在國際著名學術期刊Journal of Cell Biology在線發表了題爲“Centromere-localized Aurora B kinase is required for the fidelity of chromosome segregation”的研究論文,解析了有絲分裂期染色體分離的重要調控機制。

 1:(AB)正常人體細胞中的46條染色體人結腸癌細胞中的59條染色體(Janssen A et al., Science, 2011);(C)有絲分裂期染色體錯誤分離産生非整倍體細胞的示意圖Varetti G et al., Cold Spring Harb Perspect Biol, 2014)。

 癌細胞的重要特征是染色體數目的異常,即非整倍體。科學家們在約90%的實體瘤細胞和70%的血癌細胞中都發現了染色體數目異常的現象(Beroukhim R et al., Nature, 2010)。如圖1所示,一個正常的人體細胞含有46條染色體(圖1A),而另一個結腸癌細胞則含有59條染色體(圖1B)。产生非整倍体细胞的根本原因是有丝分裂期染色体的错误分离(圖1C),而染色體精確分離的前提是其動粒與紡錘體微管的正確連接。在有絲分裂的早期,隨著核膜的崩解,動粒與微管之間會以隨機的方式發生多種形式的連接,但正確的連接方式只有一種,即每條姐妹染色单体上的动粒分别與来自纺锤体一极的微管相连(圖2)。在姐妹染色單體分離前,動粒與微管之間的各種錯誤連接必須得以糾正,否則會導致染色體的錯誤分離,進而産生非整倍體細胞並危害健康。在由數十萬億個細胞構成的成人體內,每時每刻會有上百萬個細胞進行著有絲分裂,那麽,如此衆多的細胞如何保證在每一次有絲分裂時紡錘體與染色體正確連接,從而將遺傳物質均等地分配至兩個子細胞?

 2:蛋白激酶Aurora B在糾正動粒與微管的錯誤連接中發揮重要作用。

 目前已知,染色體乘客複合體(Chromosomal Passenger Complex,簡稱CPC)的激酶亞基Aurora B在糾正動粒與微管錯誤連接的過程中發揮關鍵作用。在染色體分離前,依賴于組蛋白H33位蘇氨酸的磷酸化(H3pT3)和H2A120位蘇氨酸的磷酸化(H2ApT120),Aurora B高度富集于內層著絲粒區(Kelly A et al., Wang F et al., Yamagishi Y et al., Science, 2010)。目前,有三種假設模型被用來解釋H3pT3H2ApT120如何使Aurora B定位至著絲粒區:一种模型认为(圖3A),H3pT3H2ApT120在著絲粒區分布的交叉區域招募了CPCCarmena M et al., Nat Rev Mol Cell Biol, 2012),另外两种模型认为(圖3BC),CPC通過其SurvivinBorealin亞基分別直接或間接地結合位于同一核小體或相鄰核小體上的H3pT3H2ApT120Vader G and Lens S, Current Biology, 2010; Trivedi P and Stukenberg PT, Trends Biochem Sci, 2015)。這些假設模型要麽分子機制不明,要麽實驗證據不全。此外,Aurora B在著絲粒區的定位對于染色體正確分離的重要性尚不清楚(Tanaka T et al., Cell, 2002; Liu D et al, Science, 2009; Campbell C and Desai A, Nature, 2013)。

 3H3pT3H2ApT120招募Aurora B至著絲粒區的三种假設模型。

 汪方炜實驗室研究發現,在表達不能結合H3pT3Survivin突變體的細胞中,染色體分離並沒有出現明顯的問題。當用熒光顯微鏡實時追蹤活細胞的有絲分裂進程時,張振蕾同學發現染色體在中期赤道板上的整列並無顯著異常,但姐妹染色單體分離的時間被明顯延遲,暗示紡錘體檢查點的沈默受到抑制。梁材同學在免疫熒光染色實驗中發現,當Survivin不能結合H3pT3時,中期染色體著絲粒區的H2ApT120信號有所增強,而且,Aurora B不再富集于內層著絲粒區,而是定位于靠近兩側動粒的外層著絲粒區。此外,伴隨著Aurora B從內層著絲粒向兩側外層著絲粒區的移位,紡錘體檢查點信號通路相關蛋白在動粒區的定位及磷酸化水平發生了一系列改變。這些實驗現象提出了一個顯而易見的問題:Survivin突變體細胞中的這些表型與Aurora B在著絲粒區的移位有何聯系?

進一步的機理分析發現,Survivin突變體細胞中Aurora B在外層著絲粒區的定位依賴于H2ApT120Sgo1蛋白的結合。當在這些細胞中破壞H2ApT120Sgo1的結合時,Aurora B不再富集于著絲粒區,紡錘體檢查點得以正常沈默並使得姐妹染色單體及時分離,但染色體錯誤分離的頻率卻顯著上升了。

這一系列實驗結果顯示,H3pT3H2ApT120可以分別獨立地招募Aurora B至著絲粒的內層和外層區域,而且H2ApT120招募的Aurora B可以相當程度地代償依賴于H3pT3Aurora B喪失。如圖4所示,作者們認爲,當H3pT3通路受損時,H2ApT120通路會招募更多的Aurora B至外層著絲粒區,並通過磷酸化Knl1RVSF基序抑制蛋白磷酸酶PP1對紡錘體檢查點的沈默作用,進而延遲姐妹染色單體的分離,給予Aurora B更多的时间纠正动粒與微管间的错误连接。

       这项研究成果不仅解析了不同组蛋白的磷酸化修饰协同调控Aurora B在著絲粒區定位的分子機制,而且揭示了著絲粒區Aurora B對于染色體分離保真度的重要性。論文的其中一位匿名評審專家評論道:This is a very interesting manuscript that contains an impressive amount of work. Taken at face value, the results will really help to advance the field. In particular, the fact that the kinetochore Aurora B pool has been so nicely dissected is important because understanding how this pool is regulated to control tension-sensing is currently a major focus of many groups.

 

 4論文所揭示的Aurora B在著絲粒區定位的機制及功能。 

       汪方炜實驗室的博士生梁材和张振蕾为论文的共同第一作者,汪方炜教授是论文的通讯作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家基金委優秀青年科學基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金、浙江省傑出青年科學基金和重點基金、浙江大學校長專項科研基金等的資助。

原文鏈接:https://rupress.org/jcb/article/219/2/e201907092/133535/Centromere-localized-Aurora-B-kinase-is-required?searchresult=1