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韓方普研究組在植物著絲粒研究取得進展

  植物著絲粒結構非常複雜,含有大量重複序列。非常難以進行著絲粒區的測序及其功能解析。著絲粒區的組蛋白發生變異,部分H3組蛋白被H3變異體(植物中稱爲CENH3,人類中稱爲CENPA)替代,CENH3也是著絲粒區的功能分子標記。植物著絲粒區的組蛋白H3核小體部分被CENH3核小體取代,但在有絲分裂前期及早中期染色體上,著絲粒區的CENH3核小體與H3核小體是混合在一起,沒有區域或是位置的專化性。但染色體進入中期准備開始完成取向分向兩極時,著絲粒區內側(inner centromere)是H3T3核小體形成的區域;而外側是以CENH3核小體分布爲主,這可能是和spindle的正確連接及功能動粒形成密切相關(Liu etal. 2017, Plant J)。H2A磷酸化激酶Bub1的定位及細胞周期變化,結合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與减数分裂I染色体着丝粒的取向无关,而與着丝粒的活性相关(Su et al. 2017New Phy)。CENH3核小體是如何loading到著絲粒功能區以及著絲粒區H3CENH3核小體的比例是大家感興趣的問題。 

 

  中國科學院遗传與发育生物学研究所韩方普研究组利用玉米CENH3 Mu突變體及YFP-CENH3轉基因材料,初步進行玉米CENH3核小體loading的研究。意外得到在6號染色體上的YFP-CENH3轉基因材料,玉米CENH3基因也在6號染色體上,通過雜交選育獲得6號染色體含有Mutator插入CENH3基因及YFP-CENH3基因的植株,這樣爲進一步研究CENH3核小體的功能提供新的好材料。因为Mu-CENH3植株如果純和,無法得到下一代。實驗最初的目的是利用外源的YFP-CENH3 fusion蛋白來研究內源CENH3蛋白不存在的情況下CENH3核小體loading情況。雜合植株的體細胞免疫熒光結果表明,YFP-CENH3核小體可以loading到著絲粒區。純和MU-CENH3/YFP-CENH3d的種子可以萌發,但幼苗生長緩慢,兩周左右幼苗枯萎(圖b)。這說明玉米著絲粒區的有些功能區無法利用外源YFP-CENH3核小體,必须用內源的CENH3核小體(圖a)。 

 

  在玉米中利用過表達和定點突變的方法對CENH3的定位做了系統研究。通過對GFP-CENH3中不同氨基酸進行定點突變然後轉化原生質體,發現N端的CENH3-Thr4對于CENH3的著絲粒定位會有影響,而且可能是潛在的磷酸化位點。此外,C端的5个氨基酸對于CENH3的定位是必須的(圖c),且進一步發現CENH3C末端能和組蛋白H4相互作用。這暗示著缺少C末端的CENH3可能由于不能和H4形成稳定的核小體,从而无法维持正确的定位。而GFP-CENH3CENH3-YFP可能由于在末端融合的熒光蛋白影響了CENH3的结构并降低了它與其它蛋白的互作,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的多個氨基酸位點和結構域對其定位起著關鍵的作用,並被其它很多因子影響。 

 

  韓方普研究組已畢業的學生馮超和工作人員袁靜爲該工作的共同第一作者,近期發表在The Plant Journal雜志上DOI:10.1111/tpj.14606。本項工作得到國家自然科學基金重點國際合作項目的資助。 

    

a: CENH3 Mu突變體及CENH3-YFP轉基因材料做雜交,並進一步自交獲得純合cenh3/CENH3-YFP植株的過程。

b: 從左至右分別爲對照植株、CENH3-YFP過表達且cenh3純合突變的植株,以及CENH3-YFP過表達植株。

c: GFP-CENH3GFP-CENH3-T5的轉基因玉米植株中,以及在對照的玉米植株中,CENH3GFP融合蛋白的定位情況。