Cell：自私的中心粒，无私的异染色质

昵称32772025 2024-01-09 发布于广东

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2021年9月16日，国际著名学术期刊Cell在线发表了来自美国宾夕法尼亚大学Kumon等人的最新研究成果“Parallel pathways for recruiting effector proteins determine centromere drive and suppression”，在这篇文章中他们提出了一个关于中心粒强度平衡受进化影响的新模型

中心粒是染色体上的特殊区域，会招募了一些“忠实”的染色体分离所需的蛋白质。在分裂过程中，中心粒强度的差异可能会使染色体分离偏向其中一个子细胞。雌性生物减数分裂是专门用来产生一个大的卵母细胞，其中含有非常丰富的物质，以支持受精后的胚胎发育。卵细胞中的减数分裂是高度不对称的，不需要的染色体组将被丢弃到预定降解的小极体中。只有一套染色体会保留下来，并保存在新的生物体中。这种选择过程不可避免地有利于'适者生存'的染色体，它们更有可能在基因组中持续存在。但是，为什么只有一些染色体能够影响它们的分离，细胞又如何做出反应以恢复现状？Kumon等人的工作为这个基本问题提供了一个答案。

每条染色体都包含一个被称为着丝粒的特殊区域，它由一段卫星重复序列打包到组蛋白H3变体包含cenpa的核小体中，作为着丝粒组装的基础。着丝粒是一种非常复杂的多层蛋白质结构，负责染色体与微管纺锤体的连接，并可以调节这种连接，如果它感觉到错误，甚至可以断开它。“自私的”着丝粒能够装载更多的CenpA并组装更大的着丝粒，更有可能面对“卵子侧”纺锤体极，从而留在卵母细胞中。研究表明，如果自私的着丝粒感知到靠近极体侧，它们可以利用着丝着点有意识地断开连接。这给了染色体重新定向和重新附着的机会，直到它面向卵子一侧。

图：自私的中心粒的驱动和抑制

促使产生'更大、更坏'的中心粒的进化压力被称为中心粒驱动。这种机制虽然被认为能促进物种的分化，但可能是有害的，因为不断地分离和重新连接着丝点会使纺锤体装配检查点（SAC）保持活跃，延长分裂的时间，增加染色体错误分离的可能性。自私的中心粒可以推迟卵母细胞中的减数分裂I期，而减数分裂的持续时间已经非常长。也许，自私的中心粒的进化在卵母细胞中不被SAC检测，它可以容忍一些错误的连接，仍然允许减数分裂的进展。

尽管最近在着丝粒DNA测序和发现其变异性和进化方面的研究取得了进展，但关于着丝粒相互作用蛋白如何进化以响应着丝粒驱动的研究却知之甚少。Kumon等人提出了一种着丝粒驱动和抑制的平行途径模型。作者预测着丝点蛋白向着丝点募集会被着丝点蛋白抑制，削弱了它们与着丝点和彼此之间的相互作用(着丝点途径)。此外，间性异染色质被认为是平衡较大和较小的着丝粒，因为它能够独立地募集分离所需的蛋白质(异染色质途径)。作者对着丝粒途径或着丝粒和异染色质途径进行了干扰，并观察了小鼠卵母细胞第一次减数分裂过程中自私着丝粒的行为。

图：中心粒驱动和抑制的平行路径模型

在着丝点途径中，突变的大鼠CenpC与小鼠中心粒的结合量与小鼠CenpC相同, 但招募Sgo2的能力较差, Sgo2是一种效应蛋白, 其功能之一是与有丝分裂中心粒相关的驱动蛋白（MCAK）结合, 反过来促进微管的分离。相比之下，非洲条纹小鼠CenpC与小鼠中心粒结合得更好，并能招募到更多的Sgo2。

更大的着丝粒会粘附更多的微管，可以更有效地被拉到纺锤体极(Akeraetal.，2019)。大鼠CenpC的过表达能够减少这种二价体的不对称排列，显示其对抗自私着丝粒的能力。

图：大鼠CENP C引入小鼠卵母细胞会削弱着丝粒通路途径

作者还研究了CenpB的作用，它促进CenpC向着丝粒募集，但它也调节异染色质的形成。他们发现，尽管较大和较小的着丝粒上的CenpC水平同样降低(这意味着着丝粒通路减弱，类似于大鼠的CenpC过表达)，但它们位置的不对称性实际上加剧了，这使他们相信另一个通路需要CenpB来抵消自私的着丝粒的效应。奇怪的是，Y染色体着丝粒被排除在着丝粒驱动之外，缺乏与CenpB结合的能力。