删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
汪方炜实验室揭示有丝分裂期基因组稳定性的重要保护机制
本站小编 Free考研考试/2021-04-05
2019年11月26日,浙江大学生命科学研究院汪方炜实验室在国际著名学术期刊The EMBO Journal在线发表了题为“Histone H2A phosphorylation recruits topoisomerase IIα to centromeres to safeguard genomic stability”的研究论文,揭示了有丝分裂期组蛋白的磷酸化修饰通过招募DNA拓扑异构酶TOP2A保护基因组稳定性的分子机制和功能。
细胞来自于细胞,产生更多细胞的唯一途径是已存在细胞的分裂。所有生物,包括从单细胞的细菌到多细胞的哺乳动物,都是上溯至30亿年前生命起源后连续不断的细胞生长与分裂的结果。以人体为例,从一个受精卵发育成人,大约需要经历30万亿次细胞分裂(Sender R et al., PLoS Biol, 2016)。据粗略估计,一个成年个体每天大约发生500亿次有丝分裂。细胞在有丝分裂期的核心任务是准确地分配它在之前的S期复制的染色体,确保每个子细胞得到一份完整的基因组拷贝。这个过程必须高度精确,否则会造成染色体和基因组的稳定性,进而可能导致细胞的癌变。
如图1所示,在S期DNA复制完成后,每条染色体形成两条相同的姐妹染色单体,它们靠黏连蛋白复合体(Cohesin)和DNA连环(DNA catenation)顺着染色体长轴紧密结合在一起。有丝分裂期染色体的分离需要去除姐妹染色单体间的粘连(cohesion)和DNA连环(catenation),这一过程分两步完成。首先,在有丝分裂的前期和前中期,伴随着Wapl从染色体臂上移除Cohesin的过程,DNA拓扑异构酶IIα(TOP2A)得以去除双链DNA之间的连环和缠绕,从而解除姐妹染色体臂部的物理联结(Hongtao Yu, Curr Biol, 2013)。在此期间,着丝粒区的Cohesin在Sgo1、Sororin和Haspin等蛋白的保护下逃脱Wapl对其的移除 (Morales C & Losada A, Curr Opin Cell Biol, 2018),并拮抗TOP2A对DNA连环的去除作用(Wang L et al., J Cell Sci, 2010; Farcas A et al., Mol Cell, 2011)。随后,在有丝分裂中期向后期转换的过程中,随着蛋白水解酶Separase对Cohesin的剪切,TOP2A须快速高效地去除着丝粒区染色体间的DNA连环,以使得姐妹染色单体及时分离并在纺锤体的牵引下向细胞的两极移动。
图1:有丝分裂期姐妹染色体的分离(左),以及TOP2A(中)和H2ApT120(右)在染色体上的动态分布和定位。
因此,为了确保有丝分裂期染色体的精确分离,TOP2A必须在染色体分离前就聚集于着丝粒区。事实上,早在二三十年前科学家们就已经发现,TOP2A分布于有丝分裂期染色体的臂部并高度富集于着丝粒区(Earnshaw W et al., J Cell Biol, 1985; Taagepera S et al., Proc Natl Acad Sci USA, 1993; Rattner J et al., J Cell Biol, 1996)。后续的研究进一步发现,类泛素化修饰促进TOP2A在着丝粒区的定位及姐妹染色体的精确分离(Dawlaty M et al., Cell, 2008)。那么,TOP2A在着丝粒区定位的受体分子是什么呢?这个问题的答案一直不为人们所知。
为了解决这一重要科学问题,浙江大学生命科学研究院汪方炜实验室的博士生张妙同学开展了基于RNA干扰技术的筛选工作,并发现了纺锤体检查点蛋白Bub1对于TOP2A在着丝粒区定位的重要性(图2A)。进而,利用小分子化合物抑制Bub1的激酶活性后,TOP2A在着丝粒的定位几乎消失(图2B),说明Bub1的激酶活性对于TOP2A的着丝粒定位是必需的。
图2:敲减Bub1的表达(A)或利用小分子化合物抑制Bub1的激酶活性(B)去除TOP2A在有丝分裂前中期染色体着丝粒区的富集。
已知的Bub1激酶底物有三个,它们分别是纺锤体检查点蛋白Cdc20(Tang Z et al., Mol Cell, 2004; Jia L et al., Nat Commun, 2016)、组蛋白H2A(Kawashima S et al., Science, 2010)以及端粒蛋白TRF1(Li F et al., Mol Cell, 2018)。那么,Bub1是通过磷酸化哪个已知或未知的蛋白底物发挥作用的呢?张妙同学发现,敲减Cdc20或TRF1的表达并不影响TOP2A的着丝粒定位,而TOP2A和Bub1介导的组蛋白H2A第120位苏氨酸的磷酸化(简称H2ApT120)在有丝分裂前期、前中期及中期细胞的着丝粒区有较好的共定位,提示了H2ApT120参与调控TOP2A定位的可能性。接着,张妙同学进行了一系列精巧的实验操作,将H2ApT120人为地产生于细胞周期不同时期的染色体的不同区域,发现它都能招募TOP2A至染色体的相应区域,说明H2ApT120对TOP2A在着丝粒定位是必要且充分的。继而,通过在细胞内表达多种不同的TOP2A突变体,张妙同学发现,位于TOP2A的C-gate区的coiled-coil结构域和羧基端的ChT结构域对于TOP2A定位于着丝粒区是重要的(图3)。
图3:人源TOP2A蛋白的结构域示意图。
那么,H2ApT120对TOP2A的招募作用是直接还是间接的呢?为了解答这个疑问,张妙同学利用林世贤实验室提供的独特技术,从一株改造过的大肠杆菌中表达纯化了第120位苏氨酸被替换为磷酸化的丝氨酸的组蛋白H2A,并在梁材同学的帮助下证实,与野生型的H2A蛋白相比,磷酸化的H2A蛋白与TOP2A蛋白在体外的结合能力明显增强。
这些实验结果不仅展示了H2ApT120对TOP2A的直接招募作用,而且也为探究TOP2A在着丝粒区的功能提供了重要的实验手段。通过破坏H2ApT120与TOP2A的结合,选择性地去除TOP2A在着丝粒区的定位而不影响其在染色体臂上的分布,张妙同学发现,着丝粒区姐妹染色体DNA的去连环(decatenation)作用明显受阻,主要表现为有丝分裂后期细胞中由超细DNA构成的染色体桥(Ultra-fine anaphase DNA bridges)的显著增加(注:此类染色体桥容易发生DNA损伤)。因此,H2ApT120与TOP2A的结合对于解除有丝分裂期姐妹染色单体间的DNA连环是重要的。
这一系列研究结果表明,当细胞进入有丝分裂时,Bub1对组蛋白H2A的磷酸化修饰招募TOP2A至着丝粒,促进着丝粒区DNA连环的去除,进而保证了染色体的精确分离和基因组的稳定性(图4)。基于TOP2抑制剂在癌症化疗中的广泛应用(John Nitiss, Nat Rev Cancer, 2009),以及近期报道的Bub1小分子抑制剂对于癌细胞增殖的抑制作用(Siemeister G et al., Clin Cancer Res, 2019),这项研究也为靶向TOP2A和Bub1的癌症治疗提供了新的视角。
图4:TOP2A在有丝分裂期着丝粒区定位的分子机制及功能。
汪方炜教授是论文的通讯作者,博士生张妙为第一作者,汪方炜实验室的博士生梁材和陈亲富以及林世贤实验室的赵红霞同学等也有贡献。此项研究课题受国家重点研发计划、国家自然科学基金、英国皇家学会牛顿高级****基金、浙江省自然科学基金、浙江大学校长专项科研基金等的资助。
原文链接:https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2019101863
相关话题/细胞 实验室 过程 博士生 实验
范衡宇实验室在Nucleic Acids Research报道ZAR1和ZAR2在卵母细胞中对母源转录组稳定性和mRNA翻译激活的调节机制
2019年10月10日,浙江大学生命科学研究院范衡宇教授实验室在NuclearAcidsResearch上发表研究论文“ZAR1andZAR2arerequiredforoocytemeioticmaturationbyregulatingthematernaltranscriptomeandmRN ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05何向伟实验室在PNAS发长文阐明着丝粒重定位导致倒转减数分裂和生殖隔离
2019年10月9日,浙江大学生命科学研究院何向伟实验室在《美国科学院院刊》(PNAS)在线发表了题为“Centromererepositioningcausesinversionofmeiosisandgeneratesareproductive”的研究论文。着丝粒在染色体上的位置是由一种组蛋白H ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05佟超实验室在Science Advances发文揭示线粒体形态和组织稳态维持的分子机制
2019年9月18日,生命科学研究院佟超教授实验室在ScienceAdvances发表题为“Large-scaleRNAiscreenidentifiedDhprasaregulatorofmitochondrialmorphologyandtissuehomeostasis”的研究论文,揭示了线粒 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05生科院傅承新-邱英雄实验室揭示活化石银杏种群进化历史和进化潜力
2019年9月13日,浙江大学生命科学学院生态所植物系统进化与生物多样性研究室赵云鹏-傅承新课题组与中国科学院植物研究所葛颂课题组、华大基因研究院在NatureCommunications联合发表题为“Resequencing545ginkgogenomesacrosstheworldreveals ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05王慧明教授团队《Biomaterials》发文揭示手性几何调控干细胞命运
2019年8月26日,浙江大学医学院附属口腔医院王慧明教授团队在生物材料领域顶级期刊《Biomaterials》(IF=10.273)在线发表题为“ChiralGeometryRegulatesStemCellFateandActivity”的研究论文。该成果首次报道手性几何调控干细胞命运和行为,并 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05王建莉、蔡志坚课题组在Nature Communications发文揭示Fas调控TH9细胞分化的新机制及重要功能
北京时间2019年7月2日,浙江大学基础医学院免疫学研究所王建莉、蔡志坚课题组在NatureCommunications在线发表题为“Fassignaling-mediatedTH9celldifferentiationfavorsbowelinflammationandantitumorfunct ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05医学院2014级博士生沈晨杰荣获2019年度“吴瑞奖学金”
2019年度“吴瑞奖学金”获奖名单日前揭晓,浙江大学医学院2014级博士生沈晨杰荣获2019年度“吴瑞奖学金”。本年度共有12名来自北京生命科学研究所、北京大学、清华大学、南开大学等全国10所高校和研究所的优秀博士研究生获此殊荣,这也是浙江大学学子首次获得此荣誉。沈晨杰同学本科毕业于温州医科大学药学 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05鲁林荣课题组与南大合作在《PNAS》杂志发表论文揭示磷酸酶PP2A及其介导的去磷酸化在维持胸腺T细胞存活过程中的作用
美国科学院院刊PNAS5月31日在线发表了浙江大学基础医学院免疫学研究所鲁林荣教授课题组与南京大学高翔教授课题组合作的最新研究成果“Proteinphosphatase2Ahasanessentialroleinpromotingthymocytesurvivalduringselection”,该 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05靳津实验室在Journal of Clinical Investigation发文阐明USP16调控成熟T细胞活化的关键作用与机制
2019年5月28号,靳津实验室在JournalofClinicalInvestigation(JCI)发表题为“USP16-mediateddeubiquitinationofcalcineurinAcontrolsperipheralTcellmaintenance”的研究论文,揭示了USP16 ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05朱永群实验室在Nature Microbiology上发表论文发现特异地切割线性泛素链的全新去泛素化酶
2019年5月20日,浙江大学生命科学研究院朱永群实验室在NatureMicrobiology杂志上发表题为“Abacterialeffectordeubiquitinasespecificallyhydrolyseslinearubiquitinchainstoinhibithostinflamm ...浙江大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-04-05