汪方炜实验室解析染色体分离的重要调控机制

癌细胞的一个重要特征是染色体数目的异常,即非整倍体。约90%的实体瘤细胞和70%的血癌细胞中存在染色体数目异常的现象【1】。如图1所示,一个正常的人体细胞含有46条染色体(图1A),而另一个结肠癌细胞则含有59条染色体(图1B)。产生非整倍体细胞的根本原因是有丝分裂期染色体的错误分离(图1C),而染色体精确分离的前提是其动粒与纺锤体微管的正确连接。
 
图1:(A和B)正常人体细胞中的46条染色体和人结肠癌细胞中的59条染色体【2】;(C)有丝分裂期染色体错误分离产生非整倍体细胞的示意图【3】。
 
在有丝分裂的早期,随着核膜的崩解,动粒与微管之间会以随机的方式发生多种形式的连接,但正确的连接方式只有一种,即每条姐妹染色单体上的动粒分别与来自纺锤体一极的微管相连图2)。在姐妹染色单体分离前,动粒与微管之间的各种错误连接必须得以纠正,否则会导致染色体的错误分离,进而产生非整倍体细胞并危害健康。在由数十万亿个细胞构成的成人体内,每时每刻会有上百万个细胞在进行着有丝分裂,那么,如此众多的细胞如何保证在每一次有丝分裂时纺锤体与染色体正确连接,从而将遗传物质均等地分配至两个子细胞?
 
图2:蛋白激酶Aurora B在纠正动粒与微管的错误连接中发挥重要作用。
 
为了解答这个基本问题,浙江大学生命科学研究院汪方炜实验室多年来专注于有丝分裂期染色体分离调控机制的研究。自2013年春天组建以来,汪方炜实验室已在有丝分裂进入与相关激酶激活【4,5】、姐妹染色单体粘连【6-9、着丝粒组装【10】、组蛋白修饰【11】、异染色质凝缩【12】、染色体分离【13】等研究方向发表了一系列通讯作者论文,系统地解析了有丝分裂的重要调控网络,并阐明了多个关键环节的分子机制。
 
目前已知,染色体乘客复合体(Chromosomal Passenger Complex,简称CPC的激酶亚基Aurora B在纠正动粒与微管错误连接的过程中发挥关键作用。在染色体分离前,依赖于组蛋白H3第3位苏氨酸的磷酸化(H3pT3)和H2A第120位苏氨酸的磷酸化(H2ApT120),Aurora B高度富集于内层着丝粒区【14-16】。目前,有三种假设模型被用来解释H3pT3和H2ApT120如何使Aurora B定位至着丝粒区:一种模型认为(图3A),H3pT3和H2ApT120在着丝粒区分布的交叉区域招募了CPC【17】,另外两种模型认为(图3B和C),CPC通过其Survivin和Borealin亚基分别直接或间接地结合位于同一核小体或相邻核小体上的H3pT3和H2ApT120【18,19】。这些模型要么分子机制不明,要么实验证据不全。此外,Aurora B在着丝粒区的定位对于染色体正确分离的重要性尚不清楚【20-22】
 
图3:目前关于H3pT3和H2ApT120招募Aurora B至着丝粒区的三种假设模型【17-19】。
 
2019年12月23日,汪方炜实验室在Journal of Cell Biology在线发表了题为“Centromere-localized Aurora B kinase is required for the fidelity of chromosome segregation”的研究论文,解析了Aurora B在着丝粒区定位的机制,并揭示了着丝粒区Aurora B在纺锤体检查点信号和动粒与微管连接中的功能。
 
 
在这项研究中,汪方炜实验室发现,在表达不能结合H3pT3的Survivin突变体的细胞中,染色体分离并没有出现明显的问题。当用荧光显微镜实时追踪活细胞的有丝分裂进程时,张振蕾同学发现染色体在中期赤道板上的整列并无显著异常,但姐妹染色单体分离的时间被明显延迟,暗示纺锤体检查点的沉默受到抑制。梁材同学在免疫荧光染色实验中发现,当Survivin不能结合H3pT3时,中期染色体着丝粒区的H2ApT120信号有所增强,而且,Aurora B不再富集于内层着丝粒区,而是定位于靠近两侧动粒的外层着丝粒区。此外,伴随着Aurora B从内层着丝粒向两侧外层着丝粒区的移位,纺锤体检查点信号通路相关蛋白在动粒区的定位及磷酸化水平发生了一系列改变。这些实验现象提出了一个显而易见的问题:Survivin突变体细胞中的这些表型与Aurora B在着丝粒区的移位有何联系?
 
进一步的机理分析发现,Survivin突变体细胞中Aurora B在外层着丝粒区的定位依赖于H2ApT120与Sgo1蛋白的结合。当在这些细胞中破坏H2ApT120与Sgo1的结合时,Aurora B不再富集于着丝粒区,纺锤体检查点得以正常沉默并使得姐妹染色单体及时分离,但染色体错误分离的频率却显著上升了。
 
这一系列实验结果表明,H3pT3和H2ApT120可以分别独立地招募Aurora B至着丝粒的内层和外层区域,而且H2ApT120招募的Aurora B可以相当程度地代偿依赖于H3pT3的Aurora B的丧失。如图4所示,作者们认为,当H3pT3通路受损时,H2ApT120通路会招募更多的Aurora B至外层着丝粒区,并通过磷酸化Knl1的RVSF基序抑制蛋白磷酸酶PP1对纺锤体检查点的沉默作用,进而延迟姐妹染色单体的分离,给予Aurora B更多的时间纠正动粒与微管间的错误连接。
 
这项研究成果不仅解析了不同组蛋白的磷酸化修饰协同调控Aurora B在着丝粒区定位的分子机制,而且揭示了着丝粒区Aurora B对于染色体分离保真度的重要性。论文的其中一位匿名评审专家评论道:This is a very interesting manuscript that contains an impressive amount of work. Taken at face value, the results will really help to advance the field. In particular, the fact that the kinetochore Aurora B pool has been so nicely dissected is important because understanding how this pool is regulated to control tension-sensing is currently a major focus of many groups.
 
图4:论文所揭示的Aurora B在着丝粒区定位的机制及功能。 
 
据悉,汪方炜实验室的博士生梁材张振蕾为论文的共同第一作者,陈亲富、张妙和周琳莉等也有贡献,汪方炜教授是论文的通讯作者。
 
专家点评
傅静雁(中国农业大学,教授,优青)
 
每一次细胞分裂,最重要的任务是将复制后的遗传物质平均分配到子代细胞中去。这一过程的异常,往往产生非整倍体细胞,具有癌化的风险。为了平均分配遗传物质,细胞进化出一套跨时间尺度的精妙体系。首先在分裂前中期组装介导遗传物质分配的机器——纺锤体,纺锤体微管通过捕捉染色体上的动粒结构,牵引染色体排列到赤道板中央,并最终将姐妹染色单体牵拉到细胞的两极。其次,存在纠错机制,如果一条染色体的两个姐妹染色单体上的动粒,不是被来自两极的纺锤体微管捕捉,这种微管动粒的联系就不稳定,容易解离而进行纠正。最后,在前中期至中期设立了监察机制——纺锤体检验点,只有当每一条染色体的两个姐妹染色单体上的动粒,分别被来自两极的纺锤体微管捕捉,纺锤体检验点才能得到满足,细胞周期才能由中期向后期转化。
 
在纠错和监察机制中,Aurora B这个重要的蛋白激酶均起到关键作用。2009年Michael Lampson实验室提出了一个经典的模型——空间分离模型(Liu etal., Science):即前中期时着丝粒上的Aurora B激酶能磷酸化着丝粒和动粒上多个底物,总体效果使得微管动粒联系不稳定而利于纠错;中期时,当每条染色体的两个姐妹染色单体上的动粒分别被来自两极的纺锤体微管捕捉,两侧动粒由于受到微管的拉力,与着丝粒的空间距离增加,使得Aurora B与动粒上的底物分离,从而正确的微管动粒结合得以稳定,纺锤体检验点得以沉默。
 
浙江大学汪方炜教授团队长期致力于研究有丝分裂的调控机制,发表了一系列优秀的工作。最新发表于Journal of Cell Biology 的文章Centromere-localized Aurora B kinase is required for the fidelity of chromosome segregation 提出了与经典空间分离模型不同的思路。文章发现,组蛋白H3第三位苏氨酸磷酸化(H3pT3)与组蛋白H2A第一百二十位苏氨酸磷酸化(H2ApT120)均有能力募集Aurora B到着丝粒上。但特别的是,H3pT3将Aurora B带到了着丝粒远离动粒的位置,这部分定位从前中期持续到中期;而H2ApT120则将Aurora B带到了着丝粒更靠近动粒的位置,此定位在中期大幅下降或趋于消失。当H3pT3依赖的Aurora B被去除时,H2ApT120依赖的Aurora B在中期着丝粒定位下降的趋势被遏制,进而激活纺锤体检验点,给予细胞更多的时间来纠正动粒与微管的错误连接。当染色体完成列队,这部分Aurora B消失,纺锤体检验点沉默,细胞周期继续进行。
 
此项研究提出了Aurora B存在至少两个空间定位,且具有不同的时间动态变化及代偿效应,为更好地理解细胞如何精确介导染色体分离提供了新的见解和研究方向。这一模型究竟是对经典空间分离模型的补充还是挑战,仍有待更深入的研究。让我们拭目以待!
 
专家简介:
傅静雁博士,教授、博士生导师。2004和2010年先后获得北京大学学士、博士学位。2010-2016年赴英国剑桥大学从事博士后研究。2016年任中国农业大学生物学院教授。主要研究细胞增殖与分裂的基本规律及调控机制。2017年获得国家自然科学基金优秀青年科学基金。

原文链接:
https://rupress.org/jcb/article/219/2/e201907092/133535/Centromere-localized-Aurora-B-kinase-is-required?searchresult=1
 
1. Beroukhim, R. et al. The landscape of somatic copy-number alteration acrosshuman cancers. Nature 463, 899-905 (2010).
2. Janssen,A., van der Burg, M., Szuhai, K., Kops, G.J. & Medema, R.H. Chromosomesegregation errors as a cause of DNA damage and structural chromosomeaberrations. Science 333, 1895-1898 (2011).
3. Varetti,G., Pellman, D. & Gordon, D.J. Aurea mediocritas: the importance of abalanced genome. Cold Spring HarbPerspect Biol 6, a015842 (2014).
4. Zhou,L., Tian, X., Zhu, C., Wang, F. & Higgins, J.M. Polo-like kinase-1 triggershistone phosphorylation by Haspin in mitosis. EMBO Rep 15, 273-281(2014).
5.  Qi,F. et al. WAC Promotes Polo-likeKinase 1 Activation for Timely Mitotic Entry. Cell Rep 24, 546-556(2018).
6. Zhou,L. et al. The N-TerminalNon-Kinase-Domain-Mediated Binding of Haspin to Pds5B Protects CentromericCohesion in Mitosis. Curr Biol 27, 992-1004 (2017).
7. Liang,C. et al. A kinase-dependent role forHaspin in antagonizing Wapl and protecting mitotic centromere cohesion. EMBO Rep (2017).
8. Yi,Q. et al. Aurora B kinaseactivity-dependent and -independent functions of the chromosomal passengercomplex in regulating sister chromatid cohesion. J Biol Chem 294,2021-2035 (2019).
9. Yi,Q. et al. HP1 links centromericheterochromatin to centromere cohesion in mammals. EMBO Rep (2018).
10. Liang,C. et al. A positive feedbackmechanism ensures proper assembly of the functional inner centromere duringmitosis in human cells. J Biol Chem(2018).
11. Wang,F. & Higgins, J.M. Histone modifications and mitosis: countermarks,landmarks, and bookmarks. Trends CellBiol 23, 175-184 (2013).
12. Yan,H. et al. HP1 cooperates with CAF-1to compact heterochromatic transgene repeats in mammalian cells. Sci Rep 8, 14141 (2018).
13. Zhang,M. et al. Histone H2A phosphorylationrecruits topoisomerase IIalpha to centromeres to safeguard genomic stability. EMBO J, e101863 (2019).
14. Wang,F. et al. Histone H3 Thr-3phosphorylation by Haspin positions Aurora B at centromeres in mitosis. Science 330, 231-235 (2010).
15. Kelly,A.E. et al. Survivin readsphosphorylated histone H3 threonine 3 to activate the mitotic kinase Aurora B. Science 330, 235-239 (2010).
16. Yamagishi,Y., Honda, T., Tanno, Y. & Watanabe, Y. Two histone marks establish theinner centromere and chromosome bi-orientation. Science 330, 239-243(2010).
17. Carmena,M., Wheelock, M., Funabiki, H. & Earnshaw, W.C. The chromosomal passengercomplex (CPC): from easy rider to the godfather of mitosis. Nat Rev Mol Cell Biol 13, 789-803 (2012).
18. Vader,G. & Lens, S.M. Chromosome segregation: taking the passenger seat. Curr Biol 20, R879-881 (2010).
19. Trivedi,P. & Stukenberg, P.T. A Centromere-Signaling Network Underlies theCoordination among Mitotic Events. TrendsBiochem Sci 41, 160-174 (2016).
20. Tanaka,T.U. et al. Evidence that theIpl1-Sli15 (Aurora kinase-INCENP) complex promotes chromosome bi-orientation byaltering kinetochore-spindle pole connections. Cell 108, 317-329(2002).
21. Liu,D., Vader, G., Vromans, M.J., Lampson, M.A. & Lens, S.M. Sensing chromosomebi-orientation by spatial separation of aurora B kinase from kinetochoresubstrates. Science 323, 1350-1353 (2009).
22. Campbell,C.S. & Desai, A. Tension sensing by Aurora B kinase is independent ofsurvivin-based centromere localization. Nature497, 118-121 (2013).
研究进展

蓝斐团队等报道H3K36me2调控DNMT3A建立DNA甲基化

2019-12-30 20:37:20

研究进展

中科大瞿昆团队开发非编码RNA新技术 发现新长非编码RNA ​

2019-12-30 20:39:03

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