清華新聞網(wǎng)9月30日電 在大多數(shù)真核生物細胞有絲分裂過程中，精確的染色體分離依賴于著絲粒-動粒復(fù)合體的正常功能。其中，著絲粒的遺傳復(fù)制依賴于CENPA核小體的傳遞。具體來說，在細胞周期的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。在這一動態(tài)過程中，CENPA核小體表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，提示細胞中存在嚴密的CENPA維持機制，而其失調(diào)則導(dǎo)致一系列有絲分裂錯誤和癌癥等疾病的產(chǎn)生。但是，對于這一極為關(guān)鍵的分子與細胞過程，在S期內(nèi)調(diào)控CENPA維持以及確保其在DNA復(fù)制過程中表觀遺傳信息忠實傳遞的機制仍不清楚。
RNA m6A修飾（N6-甲基腺嘌呤）已被廣泛報道幾乎參與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，越來越多的證據(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)和細胞周期進程，但其關(guān)鍵機制仍不明確。
9月20日，清華大學生命科學學院楊雪瑞課題組與北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、北京大學核糖核酸北京研究中心劉君課題組合作，在《細胞》（Cell）發(fā)表了題為“腫瘤細胞中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。對這一互作關(guān)系的破壞極大增強了腫瘤細胞對著絲粒相關(guān)藥物的敏感性，為未來的靶向治療策略提供了新的思路。
具體來說，研究團隊通過整合分析不同細胞類型caRNA的m6A修飾高通量測序（MeRIP-seq）數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)cenRNA在大多數(shù)癌細胞中展現(xiàn)出顯著升高的m6A修飾水平。為了進一步探究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SNAP-tag TMR-STAR實驗，發(fā)現(xiàn)去除cenRNA上的m6A修飾會導(dǎo)致S期CENPA在著絲粒的維持明顯受損，而G1時期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)定性的機制，研究者通過細胞內(nèi)CENPA的RIP-seq數(shù)據(jù)分析及一系列體外實驗，證實CENPA更傾向于與m6A修飾的cenRNA結(jié)合。通過分子模擬及體外實驗，研究者進一步確定了CENPA蛋白中兩個關(guān)鍵位點，負責識別甲基化的cenRNA。突變這兩個位點后， CENPA對m6A-cenRNA的結(jié)合偏好性在細胞內(nèi)顯著下降，同時伴隨著CENPA在S期著絲粒穩(wěn)定性的減弱。
鑒于CENPA對于染色體著絲粒功能中的關(guān)鍵作用，研究者進一步評估了CENPA與甲基化cenRNA的互作對著絲粒穩(wěn)態(tài)及癌癥細胞生長的影響。結(jié)果顯示，去除cenRNA上的m6A修飾或突變CENPA均會導(dǎo)致著絲粒不穩(wěn)定，染色體分離異常，細胞生長減緩，并使腫瘤細胞對著絲粒相關(guān)藥物的敏感性增強。值得注意的是，這種現(xiàn)象在正常細胞中并未觀察到，進一步支持了靶向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)上被認為是著絲粒特異性組蛋白。該研究發(fā)現(xiàn)CENPA通過與m6A-cenRNA的互作，在RNA表觀遺傳層面直接調(diào)控癌細胞中著絲粒完整性。由此提出了RNA表觀轉(zhuǎn)錄參與核小體功能及表觀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)控提供了新的機制。破壞這一機制會導(dǎo)致癌細胞染色體分離異常和基因組不穩(wěn)定，抑制癌細胞生長及增強其對著絲粒干擾劑的敏感性，為癌癥治療開發(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；北京大學前沿交叉學科研究院2020級博士生康自紅與清華大學生命科學學院2020級博士生李瑞萌為論文共同第一作者。北京大學生命科學學院教授李晴、北京大學化學與分子工程學院研究員王歡、中國科學院杭州醫(yī)學研究所研究員張亮、南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院主任王雷、北京大學第三醫(yī)院副研究員司文喆為該工作提供了重要支持和貢獻。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.040
供稿：生命學院
題圖設(shè)計：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
