專家點評EMBO J | 汪方煒實驗室揭示有絲分裂期基因組穩定性的重要保護機制

2021-01-21 BioArt
細胞來自於細胞,產生更多細胞的唯一途徑是已存在細胞的分裂。所有生物,包括從單細胞的細菌到多細胞的哺乳動物,都是上溯至30億年前生命起源後連續不斷的細胞生長與分裂的結果。以人體為例,從一個受精卵發育成人,大約需要經歷30萬億次細胞分裂【1】。據粗略估計,一個成年個體每天大約發生500億次有絲分裂。細胞在有絲分裂期的核心任務是準確地分配它在之前的S期複製的染色體,確保每個子細胞得到一份完整的基因組拷貝。這個過程必須高度精確,否則會造成染色體和基因組的不穩定性,進而可能導致細胞的癌變。如圖1所示,在S期DNA複製完成後,每條染色體形成兩條相同的姐妹染色單體,它們靠黏連蛋白複合體(Cohesin)和DNA連環(DNA catenation)順著染色體長軸緊密結合在一起。有絲分裂期染色體的分離需要去除姐妹染色單體間的粘連(cohesion)和DNA連環(catenation),這一過程分兩步完成。首先,在有絲分裂的前期和前中期,伴隨著Wapl從染色體臂上移除Cohesin的過程,DNA拓撲異構酶IIα(TOP2A)得以去除雙鏈DNA之間的連環和纏繞,從而解除姐妹染色體臂部的物理聯結【2】。在此期間,著絲粒區的Cohesin在Sgo1、Sororin和Haspin等蛋白的保護下逃脫Wapl對其的移除【3】,並拮抗TOP2A對DNA連環的去除作用【4,5】。隨後,在有絲分裂中期向後期轉換的過程中,隨著蛋白水解酶Separase對Cohesin的剪切,TOP2A須快速高效地去除著絲粒區染色體間的DNA連環,以使得姐妹染色單體及時分離並在紡錘體的牽引下向細胞的兩極移動。圖1:有絲分裂期姐妹染色體的分離(左),以及TOP2A(中)和H2ApT120(右)在染色體上的動態分布和定位。因此,為了確保有絲分裂期染色體的精確分離,TOP2A必須在染色體分離前就聚集於著絲粒區。事實上,早在二三十年前科學家們就已經發現,TOP2A分布於有絲分裂期染色體的臂部並高度富集於著絲粒區【6-8】。後續的研究進一步發現,類泛素化修飾促進TOP2A在著絲粒區的定位及姐妹染色體的精確分離【9】。那麼,TOP2A在著絲粒區定位的受體分子是什麼呢?這個問題的答案一直不為人們所知。2019年11月26日,浙江大學生命科學學院汪方煒課題組在The EMBO Journal雜誌上發表論文「Histone H2A phosphorylation recruits topoisomerase IIα to centromeres to safeguard genomic stability」,揭示了有絲分裂期組蛋白磷酸化通過招募TOP2A保護基因組穩定性的重要機制和功能。為了解決上述重要科學問題,汪方煒實驗室的博士生張妙同學開展了基於RNA幹擾技術的篩選工作,並發現了紡錘體檢查點蛋白Bub1對於TOP2A在著絲粒區定位的重要性(圖2A)。進而,利用小分子化合物抑制Bub1的激酶活性後,TOP2A在著絲粒的定位幾乎消失(圖2B),說明Bub1的激酶活性對於TOP2A的著絲粒定位是必需的。圖2:敲減Bub1的表達(A)或利用小分子化合物抑制Bub1的激酶活性(B)去除TOP2A在有絲分裂前中期染色體著絲粒區的富集。


已知的Bub1激酶底物有三個,它們分別是紡錘體檢查點蛋白Cdc20【10,11】、組蛋白H2A【12】以及端粒蛋白TRF1【13】。那麼,Bub1是通過磷酸化哪個已知或未知的蛋白底物發揮作用的呢?張妙同學發現,敲減Cdc20或TRF1的表達並不影響TOP2A的著絲粒定位,而TOP2A和Bub1介導的組蛋白H2A第120位蘇氨酸的磷酸化(簡稱H2ApT120)在有絲分裂前期、前中期及中期細胞的著絲粒區有較好的共定位,提示了H2ApT120參與調控TOP2A定位的可能性。接著,張妙同學進行了一系列精巧的實驗操作,將H2ApT120人為地產生於細胞周期不同時期的染色體的不同區域,發現它都能招募TOP2A至染色體的相應區域,說明H2ApT120對TOP2A在著絲粒定位是必要且充分的。繼而,通過在細胞內表達多種不同的TOP2A突變體,張妙同學發現,位於TOP2A的C-gate區的coiled-coil結構域和羧基端的ChT結構域對於TOP2A定位於著絲粒區是重要的(圖3)。

圖3:人源TOP2A蛋白的結構域示意圖。

那麼,H2ApT120對TOP2A的招募作用是直接還是間接的呢?為了解答這個疑問,張妙同學利用林世賢實驗室提供的獨特技術,從一株改造過的大腸桿菌中表達純化了第120位蘇氨酸被替換為磷酸化的絲氨酸的組蛋白H2A,並在梁材同學的幫助下證實,與野生型的H2A蛋白相比,磷酸化的H2A蛋白與TOP2A蛋白在體外的結合能力明顯增強。這些實驗結果不僅展示了H2ApT120對TOP2A的直接招募作用,而且也為探究TOP2A在著絲粒區的功能提供了重要的實驗手段。通過破壞H2ApT120與TOP2A的結合,選擇性地去除TOP2A在著絲粒區的定位而不影響其在染色體臂上的分布,張妙同學發現,著絲粒區姐妹染色體DNA的去連環(decatenation)作用明顯受阻,主要表現為有絲分裂後期細胞中由超細DNA構成的染色體橋(Ultra-fine anaphase DNA bridges)的顯著增加(註:此類染色體橋容易發生DNA損傷)。因此,H2ApT120與TOP2A的結合對於解除有絲分裂期姐妹染色單體間的DNA連環是重要的。這一系列研究結果表明,當細胞進入有絲分裂時,Bub1對組蛋白H2A的磷酸化修飾招募TOP2A至著絲粒,促進著絲粒區DNA連環的去除,進而保證了染色體的精確分離和基因組的穩定性(圖4)基於TOP2抑制劑在癌症化療中的廣泛應用【14】,以及近期報導的Bub1小分子抑制劑對於癌細胞增殖的抑制作用【15】,這項研究也為靶向TOP2A和Bub1的癌症治療提供了新的視角。

圖4:TOP2A在有絲分裂期著絲粒區定位的分子機制及功能。 

汪方煒教授是論文的通訊作者,博士生張妙為第一作者,汪方煒實驗室的博士生梁材陳親富以及林世賢實驗室的趙紅霞同學等也有貢獻。劉洪(杜蘭大學,Tulane University)Proper chromosome segregation is essential for maintaining chromosome stability as well as preventing many human diseases, such as cancer. During mitotic cell cycle, chromatin is duplicated at S phase (sister chromatids). Duplicated sister chromatids are linked together by a protein complex cohesin, which is called sister-chromatid cohesion, and by intertwined DNA fibers, which is referred to as DNA catenation. Maintenance of these sister-chromatid linkages till late mitosis, especially sister-chromated cohesion, is critical for chromosome stability. At late mitosis (anaphase onset), these sister-chromatid linkages must be resolved to allow sister chromatids to segregate from each other. Failure in doing so results in lagging chromosomes and/or ultra-fine anaphase bridges, which also significantly jeopardize chromosome stability. Therefore, proper orchestration of sister-chromatid cohesion and DNA catenation is critical for protecting chromosome stability. However, how this is achieved is poorly understood.An interesting piece of work from Dr. Wang’s lab has identified a key orchestrator, Bub1, for these two processes. Extensive previous work has shown that Bub1, a mitotic kinase, enriches an essential cohesion protector, Shugoshin, to centromeres to protect sister-chromatid cohesion there by phosphorylating histone H2A (pH2A). Shugoshin is targeted to centromeres by directly binding Bub1-phosphorylated histone H2A. These previous studies have established Bub1/pH2A as an important regulatory pathway for centromeric cohesion protection. Topoisomerase II, an important enzyme that resolves DNA catenation, is one of scaffold chromosome proteins. Interestingly, this enzyme has long been noticed to be enriched at centromeres during mitosis, but the biological functions and regulation of this pool of Topoisomerase II largely remain unknown. Using elegant cell-biological and biochemical tools, Dr. Wang and his colleagues convincingly demonstrated that this very Bub1/pH2A also enriches Topoisomerase II to centromeres. Interestingly, like Shugoshin, the centromeric enrichment of Topoisomerase II is also through its direct binding with pH2A. They further showed that the Bub1/pH2A-enriched pool of Topoisomerase II at centromeres is important for timely and proper resolution of catenated DNA fibers at anaphase, thus reducing ultra-fine anaphase bridges that endanger chromosome stability. These novel findings extend our understanding horizontal on the molecular mechanisms underlying chromosome segregation. Especially, they center Bub1 as a master conductor to orchestrate two important biological processes. In addition, this study also provokes several important follow-up questions. What is the relative binding affinity of these two readers, Shugoshin and Topoisomerase II, toward phosphorylated histone H2A? Knowing the answer to this question could help determine the ratio between two proteins at centromeres, which might be a critical factor to regulate chromosome segregation during mitosis. Moreover, structural studies are needed to further address how these two proteins read the epigenetic mark pH2A?劉洪, 1998 本科畢業於四川大學,2009 年獲得美國佛羅裡達州立大學博士學位。於2009-2015 年在美國西南醫學中心/霍華德醫學研究所作博士後研究,2015年作為獨立PI(Assistant professor)加入美國杜蘭大學(Tulane University)。實驗室主要從事有絲分裂過程中染色體分離機制的研究。目前研究集中在三個方面:1、染色體著絲粒粘連(Centromere cohesion)的保護機制;2、動粒(kinetochore)和紡錘體微管 (Spindle microtubule)相互結合的調控機制;3、著絲粒轉錄(centromere transcription)的功能與調控。已經在Nature Cell Biology、Molecular Cell、Current Biology、Journal of Cell Biology 等雜誌發表多篇研究文章。https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.20191018631. Sender Ron., Fuchs Shai., Milo Ron., (2016). Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body., PLoS Biol., 14, e1002533.2. Yu Hongtao., (2013). Chromosome biology: Wapl spreads its wings., Curr. Biol., 23, R923-5.3. Morales Carmen., Losada Ana., (2018). Establishing and dissolving cohesion during the vertebrate cell cycle., Curr. Opin. Cell Biol., 52, 51-57.4. Wang Lily Hui-Ching., Mayer Bernd., Stemmann Olaf., Nigg Erich A., (2010). Centromere DNA decatenation depends on cohesin removal and is required for mammalian cell division., J. Cell. Sci., 123, 806-13.5. Farcas Ana-Maria., Uluocak Pelin., Helmhart Wolfgang., Nasmyth Kim., (2011). Cohesin's concatenation of sister DNAs maintains their intertwining., Mol. Cell, 44, 97-107.6. Earnshaw W C., Halligan B., Cooke C A., Heck M M., Liu L F., (1985). Topoisomerase II is a structural component of mitotic chromosome scaffolds., J. Cell Biol., 100, 1706-15.7. Taagepera S., Rao P N., Drake F H., Gorbsky G J., (1993). DNA topoisomerase II alpha is the major chromosome protein recognized by the mitotic phosphoprotein antibody MPM-2., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 90, 8407-11.8. Rattner J B., Hendzel M J., Furbee C S., Muller M T., Bazett-Jones D P., (1996). Topoisomerase II alpha is associated with the mammalian centromere in a cell cycle- and species-specific manner and is required for proper centromere/kinetochore structure., J. Cell Biol., 134, 1097-107.9. Dawlaty Meelad M., Malureanu Liviu., Jeganathan Karthik B., Kao Esther., Sustmann Claudio., Tahk Samuel., Shuai Ke., Grosschedl Rudolf., van Deursen Jan M., (2008). Resolution of sister centromeres requires RanBP2-mediated SUMOylation of topoisomerase IIalpha., Cell, 133, 103-15.10. Tang Zhanyun., Shu Hongjun., Oncel Dilhan., Chen She., Yu Hongtao., (2004). Phosphorylation of Cdc20 by Bub1 provides a catalytic mechanism for APC/C inhibition by the spindle checkpoint., Mol. Cell, 16, 387-97.11. Jia Luying., Li Bing., Yu Hongtao., (2016). The Bub1-Plk1 kinase complex promotes spindle checkpoint signalling through Cdc20 phosphorylation., Nat Commun, 7, 10818.12. Kawashima Shigehiro A., Yamagishi Yuya., Honda Takashi., Ishiguro Kei-ichiro., Watanabe Yoshinori., (2010). Phosphorylation of H2A by Bub1 prevents chromosomal instability through localizing shugoshin., Science, 327, 172-7.13. Li Feng., Kim Hyeung., Ji Zhejian., Zhang Tianpeng., Chen Bohong., Ge Yuanlong., Hu Yang., Feng Xuyang., Han Xin., Xu Huimin., Zhang Youwei., Yu Hongtao., Liu Dan., Ma Wenbin., Songyang Zhou., (2018). The BUB3-BUB1 Complex Promotes Telomere DNA Replication., Mol. Cell, 70, 395-407.e4.14. Nitiss John L., (2009). Targeting DNA topoisomerase II in cancer chemotherapy., Nat. Rev. Cancer, 9, 338-50.15. Siemeister Gerhard., Mengel Anne., Fernández-Montalván Amaury E., Bone Wilhelm., Schröder Jens., Zitzmann-Kolbe Sabine., Briem Hans., Prechtl Stefan., Holton Simon J., Mönning Ursula., von Ahsen Oliver., Johanssen Sandra., Cleve Arwed., Pütter Vera., Hitchcock Marion., von Nussbaum Franz., Brands Michael., Ziegelbauer Karl., Mumberg Dominik., (2019). In VitroInhibition of BUB1 Kinase by BAY 1816032 Sensitizes Tumor Cells toward Taxanes, ATR, and PARP Inhibitors  and ., Clin. Cancer Res., 25, 1404-1414.

相關焦點

  • 專家點評Cell|利用基因組圖揭示癌症複雜結構變異特徵
    癌症基因組在多種突變機制的作用下,會產生豐富的結構變異(structural variation)。近日,康奈爾醫學院和紐約基因組中心的Marcin Imielinski實驗室在Cell上發表了文章Distinct Classes of Complex Structural Variation Uncovered across Thousands of CancerGenomeGraphs
  • 中國科大揭示α-tubulin末端去酪氨酸酶的催化機制及其在有絲分裂...
    ,並通過細胞生物學實驗發現其在星體微管的形成中具有重要作用從而參與調節有絲分裂進程。微管是細胞骨架系統的重要組成,微管在維持細胞形態,細胞內物質/細胞器運輸,細胞區室化,有絲分裂等重要生命活動中具有不可替代的作用。微管是由α-tubulin/-tubulin異源二聚體在GTP存在下形成的由13條微管原絲環繞形成的中空管狀複合物(除鞭毛、纖毛中的特質化微管結構)。
  • 專家點評Cell|虛擬實境範式揭示多巴胺信號的生理意義
    這一假說對於推動我們對多巴胺功能的理解有著重要意義。然而,早期研究使用的行為範式相對較為簡單,因此,這一假說是否適用於更複雜的行為範式還需進一步驗證。另外,也有其他實驗室報導了多巴胺的伏隔核釋放可獨立於中腦胞體的活動【2】,因此,複雜環境下的多巴胺環路水平的信號記錄具有重要意義。
  • 研究揭示抑制SGLT2保護腎臟的機制
    研究揭示抑制SGLT2保護腎臟的機制 作者:小柯機器人 發布時間:2020/7/30 14:23:49 日本志賀大學Hiroshi Maegawa、Shinji Kume等研究人員合作發現,SGLT2抑制通過促進酮體誘導的mTORC1
  • 專家點評丨天津醫科大學團隊發現新的潛在愛滋病藥物靶點
    HIV前病毒會劫持宿主細胞內的表觀遺傳與轉錄調控機制來激活或沉默病毒基因轉錄,從而維持自己的潛伏和複製。鑑於LEDGF/p75在調控宿主細胞基因轉錄中的重要作用,其除了調控HIV選擇性整合外,是否影響整合後前病毒在宿主細胞內的複製命運?
  • 喙頭蜥基因組揭示羊膜進化的古老特徵
    喙頭蜥基因組揭示羊膜進化的古老特徵 作者:小柯機器人 發布時間:2020/8/6 19:08:06 2020年8月5日出版的《自然》雜誌在線發表了紐西蘭奧塔哥大學Neil J.
  • 大規模測序揭示人精子基因組在減數分裂過程的變異情況
    大規模測序揭示人精子基因組在減數分裂過程的變異情況 作者:小柯機器人 發布時間:2020/6/5 8:53:08 美國哈佛醫學院Steven A.
  • 首個山蒼子基因組圖譜:揭秘精油合成分子機制—新聞—科學網
    4月3日,《自然—通訊》在線發表中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所(以下簡稱亞林所)研究員汪陽東團隊的重要成果。該團隊成功組裝全球首個染色體級別的高質量山蒼子基因組圖譜,並基於此揭示樟科物種進化及其精油合成分子機制。
  • Mol Plant|中科院遺發所儲成才團隊揭示硝酸鹽誘導的磷響應機制
    phosphate response by RLI1/HINGE1 in nucleus的研究論文,揭示了硝酸鹽誘導的磷響應新機制。長期以來,人們對氮磷信號通路解析大多分開進行,導致對氮磷互作機制的理解非常有限。儲成才研究組長期致力於水稻營養高效吸收利用的分子基礎解析及作物的分子設計育種研究,鑑定到硝酸鹽轉運蛋白NRT1.1B的自然變異是導致水稻秈粳亞群間氮利用效率差異的重要原因 (Hu et al., 2015)。
  • 科學家揭示TET蛋白底物偏好性機制
    在復旦大學生物醫學研究院教授徐彥輝前期研究基礎上,中國科學院上海藥物研究所藥物發現與設計中心研究員羅成與徐彥輝組成研究團隊,首次報導了TET蛋白對三種DNA甲基化衍生物不同催化活性的分子機制,揭示了TET蛋白底物偏好性機制,為基因組中5-羥甲基胞嘧啶穩定存在提供了分子水平的解釋。
  • 昆明植物所利用基因組揭示板藍靛藍生物合成的遺傳基礎
    此外,靛藍indigo(一種吲哚生物鹼)具有多種藥物活性,是傳統中藥中的重要方劑,在當今我國傳統中藥的現代化利用中具有前景。解析indigo物質生物合成的遺傳基礎,對高效利用板藍具有重要指導意義。近期,昆明植物所民族植物學團隊研究員王雨華課題組和木本資源發掘與農林複合系統構建團隊研究員劉愛忠課題組合作,開展了板藍的精細基因組測序研究並揭示靛藍生物合成的分子機制。研究人員結合MinION單分子測序和Hi-C測序技術,首次獲得了板藍染色體水平的精細基因組(圖1c,板藍基因組網站)。
  • 中國科大等揭示α-tubulin末端去酪氨酸酶的催化機制
    ,並通過細胞生物學實驗發現其在星體微管的形成中具有重要作用從而參與調節有絲分裂進程。  微管是細胞骨架系統的重要組成,微管在維持細胞形態、細胞內物質/細胞器運輸、細胞區室化、有絲分裂等重要生命活動中具有不可替代的作用。微管是由α-tubulin/β-tubulin異源二聚體在GTP存在下形成的由13條微管原絲環繞形成的中空管狀複合物(除鞭毛、纖毛中的特質化微管結構)。
  • 中國科學家揭示植物殺手薇甘菊「行兇」機制
    中國青年報客戶端北京1月21日電(中青報·中青網記者 邱晨輝)記者今天從中國農業科學院獲悉,中國科研團隊針對重要外來入侵植物薇甘菊,從多個角度揭示了其在全球入侵過程中的環境適應性進化和快速生長的分子機制,為有效防治和管控薇甘菊進一步入侵提供了理論依據。
  • 萬種鳥基因組圖譜提供重要線索
    推斷系統發育關係和鳥類物種多樣化遺傳機制「鳥綱是四足類動物中分化程度最高、物種最為豐富的一類脊椎動物,目前已知約10500種鳥類物種,廣泛分布於地球各種生境,是研究生物多樣性的形成及維持機制的重要物種類群。」論文第一作者馮少鴻博士向科技日報記者介紹。
  • 亞林所繪製首個山蒼子基因組圖譜 揭秘精油合成分子機制
    陳炳華 攝山蒼子,是我國南方家喻戶曉的一種香樹,其果實有香氣,無毒,可治療急性肺炎,有抗病毒抗菌消炎作用。山蒼子精油還是高級化妝品紫羅蘭酮的原料。近日,中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所汪陽東研究員團隊,聯合國內外多家單位,在《自然—通訊》期刊上發表重要成果。該研究首次繪製山蒼子染色體水平基因組圖譜,並基於此揭示樟科物種進化及其精油合成分子機制。
  • ...108)植物保護學院病原真菌功能基因組學團隊在赤黴病菌和小麥...
    近日,植物保護學院病原真菌功能基因組學團隊在雙一流A類期刊-自然通訊(Nature Communications)上發表了題為「An orphan protein of Fusarium graminearum modulates host immunity by mediating proteasomal degradation of
  • 冰島人基因組揭示歐洲人存在尼安德特人血統
    基於來自一個群體的全基因組序列數據,該研究揭示:5萬多年前,現代人祖先與古人類之間混種繁殖,對當今人類的遺傳特點產生了影響。總體來說,這些研究發現支持了科學家們之前的猜測,即非洲以外的大多數現代人約包含了2%的遠古血統,這主要是由於智人不同群體和多個尼安德特人之間反覆接觸和混種繁殖的結果。研究結果還顯示,來自丹尼索瓦人的基因組片段比預期的更多。
  • 子宮內膜癌特徵的揭示
    子宮內膜癌特徵的揭示 作者:小柯機器人 發布時間:2020/2/17 10:43:42 美國太平洋西北國家實驗室Tao Liu、Karin D.
  • 揭示單個鳥苷酸決定著HIV RNA基因組的命運
    一項針對HIV病毒結構的新研究揭示出一個有前景的新藥物靶標可用於靶向HIV感染。它發現HIV感染的細胞可以通過兩種不同的方式讀取這種病毒的遺傳密碼。結果就是被感染的細胞製造出這種病毒RNA的兩種不同形式。