清華新聞網(wǎng)9月30日電 在大多數(shù)真核生物細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中，精確的染色體分離依賴(lài)于著絲粒-動(dòng)粒復(fù)合體的正常功能。其中，著絲粒的遺傳復(fù)制依賴(lài)于CENPA核小體的傳遞。具體來(lái)說(shuō)，在細(xì)胞周期的G1早期，新生CENPA沉積于染色質(zhì)中；之后，在發(fā)生DNA復(fù)制的S期，舊的CENPA被分配于DNA子鏈和母鏈上，核小體的空缺由組蛋白H3.3填補(bǔ)。在這一動(dòng)態(tài)過(guò)程中，CENPA核小體表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，提示細(xì)胞中存在嚴(yán)密的CENPA維持機(jī)制，而其失調(diào)則導(dǎo)致一系列有絲分裂錯(cuò)誤和癌癥等疾病的產(chǎn)生。但是，對(duì)于這一極為關(guān)鍵的分子與細(xì)胞過(guò)程，在S期內(nèi)調(diào)控CENPA維持以及確保其在DNA復(fù)制過(guò)程中表觀(guān)遺傳信息忠實(shí)傳遞的機(jī)制仍不清楚。
RNA m6A修飾（N6-甲基腺嘌呤）已被廣泛報(bào)道幾乎參與mRNA生命周期的所有階段，與一系列復(fù)雜疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明m6A修飾也存在于非編碼RNA，特別是染色質(zhì)結(jié)合的一些RNA（chromatin-associated RNAs，caRNAs）上，并介導(dǎo)新的功能，例如調(diào)控染色質(zhì)狀態(tài)和基因轉(zhuǎn)錄等。此前研究也發(fā)現(xiàn)著絲粒區(qū)域可以轉(zhuǎn)錄出著絲粒重復(fù)序列RNA（centromeric RNA,cenRNA），這些cenRNA似乎參與調(diào)控著絲粒穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞周期進(jìn)程，但其關(guān)鍵機(jī)制仍不明確。
9月20日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊雪瑞課題組與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)核糖核酸北京研究中心劉君課題組合作，在《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表了題為“腫瘤細(xì)胞中cenRNA的甲基化修飾穩(wěn)定CENPA蛋白結(jié)合從而保證著絲粒完整性”（m6A-modified cenRNA stabilizes CENPA to ensure centromere integrity in cancer cells）的研究論文。該研究首次揭示，腫瘤細(xì)胞中的cenRNA存在高頻的m6A修飾，而經(jīng)典的著絲粒特異性組蛋白CENPA可作為著絲粒區(qū)域m6A修飾的“閱讀器”，特異性結(jié)合具有m6A修飾的cenRNA。與甲基化cenRNA的這一互作對(duì)穩(wěn)定CENPA在S期著絲粒區(qū)域的維持至關(guān)重要，保證了著絲粒區(qū)域和基因組的穩(wěn)定性及染色體的正確分離。對(duì)這一互作關(guān)系的破壞極大增強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞對(duì)著絲粒相關(guān)藥物的敏感性，為未來(lái)的靶向治療策略提供了新的思路。
具體來(lái)說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)整合分析不同細(xì)胞類(lèi)型caRNA的m6A修飾高通量測(cè)序（MeRIP-seq）數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)cenRNA在大多數(shù)癌細(xì)胞中展現(xiàn)出顯著升高的m6A修飾水平。為了進(jìn)一步探究cenRNA m6A修飾的功能, 研究者使用了靶向去甲基化工具CRISPR-dCas13b-FTO系統(tǒng)。特異性擦除cenRNA上的m6A修飾導(dǎo)致了著絲粒丟失、異位、斷裂等異常事件的增加，表明cenRNA m6A修飾參與維持著絲粒區(qū)域的穩(wěn)定性。為了探究cenRNA上的m6A修飾如何調(diào)控著絲粒完整性，研究者通過(guò)SNAP-tag TMR-STAR實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)去除cenRNA上的m6A修飾會(huì)導(dǎo)致S期CENPA在著絲粒的維持明顯受損，而G1時(shí)期CENPA的裝載幾乎不受影響。
為了探究cenRNA上的m6A修飾介導(dǎo)S期著絲粒區(qū)域內(nèi)CENPA穩(wěn)定性的機(jī)制，研究者通過(guò)細(xì)胞內(nèi)CENPA的RIP-seq數(shù)據(jù)分析及一系列體外實(shí)驗(yàn)，證實(shí)CENPA更傾向于與m6A修飾的cenRNA結(jié)合。通過(guò)分子模擬及體外實(shí)驗(yàn)，研究者進(jìn)一步確定了CENPA蛋白中兩個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)，負(fù)責(zé)識(shí)別甲基化的cenRNA。突變這兩個(gè)位點(diǎn)后， CENPA對(duì)m6A-cenRNA的結(jié)合偏好性在細(xì)胞內(nèi)顯著下降，同時(shí)伴隨著CENPA在S期著絲粒穩(wěn)定性的減弱。
鑒于CENPA對(duì)于染色體著絲粒功能中的關(guān)鍵作用，研究者進(jìn)一步評(píng)估了CENPA與甲基化cenRNA的互作對(duì)著絲粒穩(wěn)態(tài)及癌癥細(xì)胞生長(zhǎng)的影響。結(jié)果顯示，去除cenRNA上的m6A修飾或突變CENPA均會(huì)導(dǎo)致著絲粒不穩(wěn)定，染色體分離異常，細(xì)胞生長(zhǎng)減緩，并使腫瘤細(xì)胞對(duì)著絲粒相關(guān)藥物的敏感性增強(qiáng)。值得注意的是，這種現(xiàn)象在正常細(xì)胞中并未觀(guān)察到，進(jìn)一步支持了靶向CENPA-m6A-cenRNA作為癌癥治療策略的可行性（圖1）。
圖1. CENPA-m6A-cenRNA調(diào)控著絲粒穩(wěn)態(tài)和腫瘤耐藥性
綜上，該研究首次發(fā)現(xiàn)著絲粒區(qū)域的重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物cenRNA擁有特異的m6A 修飾“閱讀器”CENPA。CENPA在傳統(tǒng)上被認(rèn)為是著絲粒特異性組蛋白。該研究發(fā)現(xiàn)CENPA通過(guò)與m6A-cenRNA的互作，在RNA表觀(guān)遺傳層面直接調(diào)控癌細(xì)胞中著絲粒完整性。由此提出了RNA表觀(guān)轉(zhuǎn)錄參與核小體功能及表觀(guān)遺傳信息傳遞的新視角，為深入理解著絲粒形成、維持與調(diào)控提供了新的機(jī)制。破壞這一機(jī)制會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞染色體分離異常和基因組不穩(wěn)定，抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)及增強(qiáng)其對(duì)著絲粒干擾劑的敏感性，為癌癥治療開(kāi)發(fā)新的靶向策略提供了重要依據(jù)。
劉君研究員與楊雪瑞副教授為論文共同通訊作者；北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2020級(jí)博士生康自紅與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)博士生李瑞萌為論文共同第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授李晴、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究員王歡、中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所研究員張亮、南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院主任王雷、北京大學(xué)第三醫(yī)院副研究員司文喆為該工作提供了重要支持和貢獻(xiàn)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.040
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
