遗传所在植物着丝粒特异组蛋白CENH3的研究取得进展

来源：植物科学最前沿

近日，The Plant Journal杂志发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组题为“The deposition of CENH3 is stringently regulated in maize”的研究论文。该研究发现玉米着丝粒区的有些功能区可能无法利用含有CENH3-YFP的核小体，必须用内源的含有CENH3核小体。并在玉米中利用过表达和定点突变的方法对CENH3在染色体着丝粒区的定位做了系统研究，发现CENH3的多个氨基酸位点和结构域对其定位起着关键的作用。这一研究为目前正在兴起的合成生物学以及正在筹备的植物人工染色体合成提供了新思路。

植物着丝粒结构非常复杂，含有大量重复序列，因而难以对其进行测序拼接及功能解析。细胞分裂过程中，纺锤丝需要正确牵引到着丝粒，才能将染色体拉向细胞两极。着丝粒是细胞分裂中，染色体正常分离的必要因素。着丝粒区的组蛋白发生变异，部分H3组蛋白被H3变异体（植物中称为CENH3，人类中称为CENPA）替代，CENH3也是着丝粒区的功能性表观标记。因此反过来说，CENH3的精确定位对于着丝粒区行使正常的功能至关重要，并决定着染色体的传递。植物在有丝分裂前期及早中期染色体上，着丝粒区含有CENH3的核小体与含有H3的核小体是混合在一起，没有区域或是位置的专化性，但染色体进入中期完成取向开始准备分向两极时，着丝粒区内侧（inner centromere）区域完全是含有H3T3的核小体；而外侧分布的则主要是含有CENH3的核小体，猜测这可能是和纺锤丝的正确连接及功能动粒的形成密切相关（liu et al., Plant J., 2017）。既然CENH3的定位具有特异性和流动性，那么CENH3到底是如何装载到着丝粒功能区的呢？这一直是大家感兴趣的问题。

中科院遗传与发育生物学研究所韩方普团队前期研究发现小麦中的βCENH3在loop1区域存在适应性进化（Yuan et al., New Phytol., 2015），而该区域在果蝇中被证实是CENH3结合着丝粒所必须的（Vermaak et al., Mol. Cell Biol., 2002）。韩方普团队进一步在玉米中用过表达和定点突变的方法对CENH3的定位做了系统研究。首先，他们利用玉米CENH3 Mu突变体及CENH3-YFP转基因材料做杂交（图a），由于CENH3-YFP转基因在玉米6号染色体上，玉米CENH3基因也在玉米6号染色体上，因而可以通过杂交选育获得6号染色体既含有mutator插入CENH3基因又含有CENH3-YFP基因的植株。这样为进一步研究CENH3核小体的功能提供新的好材料，因为Mu-CENH3植株如果纯合，无法得到下一代。他们最初的目的是利用外源的CENH3-YFP蛋白来研究內源CENH3蛋白不存在情况下，含有CENH3-YFP的核小体装载情况。在杂合植株的体细胞免疫荧光结果表明，含有CENH3-YFP的核小体可以装载到着丝粒区。但纯合Mu-CENH3/CENH3-YFP的种子可以萌发，幼苗生长缓慢，两周左右幼苗枯萎（图b）。这说明玉米着丝粒区的有些功能区可能无法利用含有CENH3-YFP的核小体，必须用內源的含有CENH3核小体。

另一方面，他们通过对GFP-CENH3中不同氨基酸进行定点突变然后转化原生质体，发现在N端的CENH3-Thr4对于CENH3的着丝粒定位会有影响，而且可能是潜在的磷酸化位点。此外，C端的5个氨基酸对于CENH3的定位是必须的（图c），且进一步发现CENH3的C末端能和组蛋白H4相互作用。这暗示着缺少C末端的CENH3可能由于不能和H4形成稳定的核小体，从而无法维持正确的定位。而GFP-CENH3和CENH3-YFP可能由于在末端融合的荧光蛋白影响了CENH3的结构并降低了它与其它蛋白的互作，从而反过来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的多个氨基酸位点和结构域对其定位起着关键的作用，并被很多其它因子影响。

该研究成果于11月12日在线发表于The Plant Journal杂志上（DOI:10.1111/tpj.14606）。冯超博士和袁静副研究员为该工作的共同第一作者。本项工作得到基金委重点项目和重点国际合作项目资助。

a. CENH3 Mu突变体及CENH3-YFP转基因材料做杂交，并进一步自交获得纯合cenh3/CENH3-YFP植株的过程。

b. 从左至右分别为对照植株、CENH3-YFP过表达且cenh3纯合突变的植株，以及CENH3-YFP过表达植株。

c. 在GFP-CENH3和GFP-CENH3-T5的转基因玉米植株中，以及在对照的玉米植株中，CENH3和GFP融合蛋白的定位情况。

文参考文献：

Liu, Y., Su, H., Liu, Y., Zhang, J., Dong, Q., Birchler, J.A., Han, F. (2017) Cohesion and centromere activity are required for phosphorylation of histone H3 in maize. Plant J. 92, 1121-1131.

Vermaak, D., Hayden, H.S., and Henikoff, S. (2002) Centromere Targeting Element within the Histone Fold Domain of Cid. Mol. Cell. Biol. 22, 7553-7561.

Yuan, J., Guo, X., Hu, J., Lv, Z., Han, F.P. (2015) Characterization of two CENH3 genes and their roles in wheat evolution. New Phytol. 206, 839-851.