揭开跨越世纪的DNA空间构型之谜

发表要点 ◆着丝粒(注1 )是染色体的交汇部位，是染色体均匀分布的重要DNA区域。 1885年，发现了角蛋白在细胞核中的定位模式以来，在130多年的时间里，分子机制一直是个谜。 ◆查明了使着丝粒空间布局成为分散型模式的控制因子群，明确了空间布局的分子机制。 着丝粒空间构型模式的改变不影响基因表达。 相反，它可能与对DNA损伤应激(注2 )的耐受有关。 ◆这次的知识与开发出可以控制DNA空间配置模式的方法相关联，将来可以制造出抗压的生物。

发布概述 细胞分裂时，DNA凝结成染色体，然后均匀分配给两个细胞。 那个时候，染色体交叉部位的一个叫着丝粒的特别的DNA区域，被纺锤丝牵引向两极移动。 分裂结束后，染色体就会凝结，构建细胞核。 届时，如果两极牵拉的着丝粒分布不变，着丝粒就会变成偏在一边的细胞核(图1 )，消除着丝粒的偏在，零散地分散在核膜内膜上，就会变成分散型细胞核。

图1 Rabl结构和非1 Rabl结构

洋红色表示着丝粒，绿色表示DNA。

1885年，奥地利卡尔·瑞伯( Carl Rabl )博士发现了着丝粒偏在的细胞核结构( Rabl结构，注3 )。 自那以后，我们发现细胞核有两种空间构型模式，一种是着丝粒分布的Rabl结构，另一种是着丝粒分布的non-Rabl结构。 例如，酵母、果蝇、小麦等的着丝粒空间构型采用Rabl结构，而人和拟南芥等采用非Rabl结构。 从进化系统的特征中看不出采取哪一种配置模式，到目前为止，为什么着丝粒的空间配置会因生物而变化，另外，该空间配置的分子机制也不清楚。 东京理科大学理工学部的坂本卓也讲师和东京大学研究生院新领域创建科学研究科的松永幸大教授等，与大阪大学、理化学研究所、中部大学等共同，成功地鉴定出了使用拟南芥突变体分散配置着丝粒的蛋白质群( CII-LINC复合体及CRWN )，明确了通过两个分子途径形成着丝粒的分散型模式。 自1885年以来，130多年来，一直是个谜的着丝粒空间布局模式的分子机制被揭示出来。 这项研究成果打开了DNA空间构型调控机制研究的大门。 另外，研究人员发现，如果不能进行正常的着丝粒空间配置，在受到DNA损伤压力时器官生长会变差。 这表明生物要应对DNA损伤压力，需要细胞核内适当的DNA空间定位。 今后，如果能开发出人为地将DNA恰当地空间配置在细胞核内的技术，就有可能制造出抗压的生物。本研究涉及文部科学省科学研究经费新学术领域“支撑植物生长可塑性的环境识别和记忆的自律分散型管理系统”( 15H05955 )“通过环境刺激阐明染色质动态控制机制”( 15H05962 )“支撑植物生长可塑性的环境识别和记忆的自律分散型管理系统”( 15K21750 ) 学术变革领域a“支持植物对不均一环境变动的注册的多层信息支配的分子机构”( 20H05911 )、基础研究a“控制植物再生的转录待机机制的分子基础阐明”( 22H00415 )、 基础研究b“阐明掌管核内结构动力学的染色体相互作用机制”( 26291067 )“调控植物再分化的染色质结构转换机制的成像分析”( 19H03259 )“在染色体微加工中观察易位对植物基因组的影响”( 20H03297 ) 在基础研究c“通过植物核拉米夫定阐明着丝粒构型调控机制”( 21K06247 )、JST-CREST“通过基因尺度的DNA设计合成创造细胞控制技术”( JPMJCR20S6 )、武田科学财团资助、东京理科大学国际共同研究支援费等的基础上实施。

发表内容 来自每条染色体的DNA被三维打包，在细胞核内获得确定的空间构型。 这种空间构型的发现由来已久，1885年奥地利卡尔.瑞伯( Carl Rabl )博士在观察娃娃鱼细胞分裂时，即使染色体消失成为细胞核，在保持染色体凝结方向的情况下，发现并提倡细胞核中配置有DNA。

 细胞分裂时，DNA凝结成染色体，向两极方向拉伸而平分。 被拉伸到两极的染色体是一个特殊的DNA区域，叫做着丝粒。 被平分后的染色体组脱凝结，成为细胞核。 在该细胞核中，细胞分裂时，有时会在着丝粒被拉伸的状态下维持空间配置。 像这样，中心轴偏向细胞核内配置的结构称为Rabl结构。 另一方面，消除了中心区的偏差，分散在细胞核内的结构称为non-Rabl结构。 Rabl结构并不出现在所有生物中，例如，在人和拟南芥等生物的细胞核中，non-Rabl结构。 Rabl结构与进化系统无关，曾在酵母、果蝇、小麦等各种生物种类的细胞核中被报告过。 因此，采取Rabl结构的生物和不采取Rabl结构的生物存在的理由，以及制作non-Rabl结构的分子机制的详细情况还不清楚。 用荧光显微镜观察拟具non-Rabl结构的拟南芥突变体的细胞核，研究着丝粒构型时发现某些突变体具有Rabl结构(图2 )。 该突变体是参与染色体凝结的构象II(CII，注4 )蛋白质缺失的突变体。 此外，发现贯穿细胞核膜核膜存在的LINC (细胞核细胞骨架连接复合体，注5 )蛋白质缺失的突变体也同样显示出Rabl结构。

图2细胞核(绿色)内着丝粒 (洋红色)的空间构型 上为非Rabl型(分散模式)，下为Rabl型(偏在模式)

此外，发现CII和LINC在细胞核内形成复合物，起到生成非rabl结构的作用，将该复合物命名为CII-LINC复合物。 由于LINC复合体嵌入核膜，我们还研究了核膜衬里蛋白CRWN (注6 )的突变体，发现CRWN缺失突变体仍为non-Rabl结构。 然而，通过对着丝粒活动的实时成像分析，我们观察到在CRWN突变体中着丝粒活动活跃，发现CRWN起到了固定着丝粒空间布局的作用。

根据这些结果，为了在细胞分裂后获得类似于分散型non-Rabl结构的空间构型，(1)在细胞分裂后期偏向两极分布的中心轴通过CII-LINC分散在细胞核内(2)在细胞核形成后，我们发现有两个步骤:通过CRWN稳定分布式配置(图3 )。

着丝粒方差模式产生的方差化步骤和稳定化步骤

然后，我们分析了具有非Rabl结构的正常拟南芥和具有Rabl结构的突变体( CII-LINC不再工作的拟南芥)的基因表达。 由于着丝粒的空间配置发生变化，遗传基因的空间配置也会发生变化，因此认为这可能会影响遗传基因的表达，但两种植物之间的遗传基因表达几乎没有差异，结果推翻了常识。 然而，与受到DNA损伤应激时具有非Rabl结构的正常拟南芥相比，具有Rabl结构的突变体的器官生长速度较慢。 这提示，正确进行着丝粒的空间构型调控，是应对DNA损伤应激器官生长所必需的。 由于采取non-Rabl结构和Rabl结构的生物之间对DNA损伤应激的耐受性没有差异，可以说这表明，对于生物来说，DNA取得适当的空间配置对于应对应激是重要的，而不是有无Rabl结构。 今后，有必要明确改变特定DNA区域空间配置的动力源，以及识别特定DNA的结构等。 如果这样的见解变得明确的话，就与人为地在细胞核内适当地空间配置DNA的技术开发相关联。 通过这种技术，除了可以制造抗压的生物外，还可以期待通过改变空间配置而不是改变DNA的碱基序列来赋予新的性质和功能。

发表杂志 杂志名称: Nature Plants (在线版: 8月1日) 论文标题: two-step regulation of centromere distribution by cond ensin ii and the nuclear envelope proteins 作者: Takuya Sakamoto†*，Yuki Sakamoto†，Stefan Grob，Daniel Slane，Tomoe Yamashita，Nanami Ito，Yuka Oko，Tomoya Sugiyama，takum Seiichiro Hasezawa、Maho Tanaka、Akihiro Matsui、Motoaki Seki、Takamasa Suzuki、Ueli Grossniklaus、Sachihiro Matsunaga* 同等贡献，*责任作者 DOI编号: 10.1038/s41477-022-01200-3

主讲人 坂本卓也(东京理科大学理工学部应用生物科学科讲师) 坂本勇贵(大阪大学研究生院理学研究科生物科学专业助教) 斯特凡·格罗夫(苏黎世大学植物微生物学系小组组长) 丹尼尔·斯拉内(东京大学研究生院新领域创建科学研究科尖端生命科学专业客座共同研究员) 伊藤奈美(东京大学研究生院新领域创建科学研究科尖端生命科学专业博士课程1年) 桧垣匠(熊本大学研究生院尖端科学研究部附属生物环境农学国际研究中心教授) 驰泽盛一郎(东京大学研究生院新领域创建科学研究科尖端生命科学专业名誉教授) 关原明(理化研究所环境资源科学研究中心植物基因组表达研究小组组长) 铃木孝征(中部大学应用生物学部应用生物化学科教授) 韦利格罗斯尼克拉斯(苏黎世大学植物微生物学系教授) 松永幸大(东京大学研究生院新领域创建科学研究科尖端生命科学专业教授)

用语解说

(注1 )着丝粒

构成染色体的染色分体交叉的部分。 x字型染色体时，相当于相交的部分。 纺锤丝与该DNA部分连接，在细胞分裂时将染色体拉向两极，从而实现均衡分配。 染色体在脱凝结后也作为DNA集中存在，因此成为了解DNA空间配置的重要指标。

(注2 ) DNA损伤应激 

对DNA造成损伤的压力。 如果DNA受到损伤，就会发生器官发育异常，或者发病。 通过将生物暴露于化学品、辐射、重金属等，可以给予DNA损伤应激。

(注3 ) Rabl结构 是指在细胞核中，保持细胞分裂时的极性，DNA被空间配置的结构。 细胞分裂时，着丝粒最先向两极移动，染色体末端的着丝粒最后移动。 因此，在保持该极性的情况下，DNA空间配置时，会形成一方有着丝粒疏松的结构。

(注4 )冷凝器II(CII ) 控制DNA凝结成染色体的蛋白质。

(注5 ) LINC 被称为细胞核细胞骨架连接复合体的蛋白质复合体。 贯穿细胞核膜而存在，细胞质侧与细胞骨架相互作用。

(注6 )核膜衬蛋白CRWN 以网眼状存在于植物细胞核内膜的蛋白质。 除了物理支持细胞核的形态外，还起到了蛋白质和DNA结合发挥作用的平台的作用。 2020年，坂本勇贵博士和松永幸大学教授的研究小组证实，植物的核膜衬蛋白为CRWN。

用语解说 (注1 )圣罗密亚 构成染色体的染色分体交叉的部分。 x字型染色体时，相当于相交的部分。 纺锤丝与该DNA部分连接，在细胞分裂时将染色体拉向两极，从而实现均衡分配。 染色体在脱凝结后也作为DNA集中存在，因此成为了解DNA空间配置的重要指标。 (注2 ) DNA损伤应激 对DNA造成损伤的压力。 如果DNA受到损伤，就会发生器官发育异常，或者发病。 通过将生物暴露于化学品、辐射、重金属等，可以给予DNA损伤应激。 (注3 ) Rabl结构 是指在细胞核中，保持细胞分裂时的极性，DNA被空间配置的结构。 细胞分裂时，Allomer最先向两极移动，染色体末端的端粒最后移动。 因此，在保持该极性的情况下，DNA空间配置时，会形成一方有牙骨质疏松的结构。 (注4 )冷凝器II(CII ) 控制DNA凝结成染色体的蛋白质。 (注5 ) LINC 被称为细胞核细胞骨架连接复合体的蛋白质复合体。 贯穿细胞核膜而存在，细胞质侧与细胞骨架相互作用。 (注6 )核膜衬蛋白CRWN 以网眼状存在于植物细胞核内膜的蛋白质。 除了物理支持细胞核的形态外，还起到了蛋白质和DNA结合发挥作用的平台的作用。 2020年，坂本勇贵博士和松永幸大学教授的研究小组证实，植物的核膜衬蛋白为CRWN。