植物著絲粒形成及其表觀遺傳學(xué)研究新進(jìn)展

日期：2015-03-06 09:16:51

植物著絲粒含有大量的重復(fù)序列和反轉(zhuǎn)座子，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并受表觀遺傳學(xué)調(diào)控。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所韓方普研究組長(zhǎng)期從事植物著絲粒的表觀遺傳學(xué)研究，曾在植物中首次發(fā)現(xiàn)著絲粒的失活現(xiàn)象并初步分析失活著絲粒的調(diào)控機(jī)制可能與DNA甲基化狀態(tài)相關(guān)。由于著絲粒的特殊表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制，植物著絲粒的DNA序列暫不能直接用于植物人工染色體的構(gòu)建，這也是植物人工染色體構(gòu)建方法不同于人類等人工染色體的策略。為了更好地研究植物著絲粒的結(jié)構(gòu)與功能，需要揭示著絲粒是如何形成的？著絲粒功能分子標(biāo)記如CENH3和CENPC是如何組裝到著絲粒區(qū)和新著絲粒區(qū)？組蛋白磷酸化的信號(hào)是如何起始的并保證染色體正確形成取向且正確分離？玉米同源染色體配對(duì)起始為什么發(fā)生在有活性的著絲粒區(qū)（Zhang J et al. Plant Cell, 2013）？

在植物新著絲粒形成方面，韓方普研究組取得了系列重要進(jìn)展。利用玉米3號(hào)染色體特殊材料，他們發(fā)現(xiàn)來自3號(hào)染色體的片段丟失了玉米著絲粒的重復(fù)序列（CentC和CRM）但可以穩(wěn)定遺傳，同時(shí)具有著絲粒功能分子標(biāo)記如CENH3和CENPC以及組蛋白磷酸化的信號(hào)。CENH3-ChIP-Seq分析結(jié)果表明玉米3號(hào)染色體長(zhǎng)臂上一段常染色質(zhì)區(qū)域（區(qū)域大小為350kb）參與并形成了新的功能著絲粒（Fu et al. PNAS, 2013）。另一方面，該研究組利用玉米第9號(hào)染色體的變異材料，發(fā)現(xiàn)玉米9號(hào)染色體短臂的一段723kb的基因組序列參與著絲粒的形成，DNA甲基化分析發(fā)現(xiàn)這段與CENH3緊密結(jié)合的序列在原初的染色體臂上已經(jīng)達(dá)到著絲粒區(qū)的DNA甲基化水平，形成新的著絲粒后其DNA甲基化水平?jīng)]有明顯變化 (Zhang B et al. Plant Cell, 2013)。

最近該研究組利用玉米遺傳學(xué)家早年創(chuàng)制的A-B染色體相互易位系，利用特殊的遺傳學(xué)表現(xiàn)標(biāo)記結(jié)合染色體功能觀察，通過CENH3-ChIP-seq數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)著絲粒錯(cuò)分裂后代中，大量染色體片段可以傳遞是因?yàn)槔没蚪M中非著絲粒區(qū)域的序列重新形成功能著絲粒。在一個(gè)材料中發(fā)現(xiàn)新形成的著絲粒，包含較小的CENH3 binding domain為288kb，來自9號(hào)染色體短臂端部。在自交后代中，發(fā)現(xiàn)新形成的288kb著絲粒區(qū)失去活性而被另一位置上形成的包含200kb CENH3結(jié)合區(qū)的新著絲粒代替。該研究組正在通過著絲粒不分離、錯(cuò)分裂及花粉輻射等方法詳細(xì)研究著絲粒的形成機(jī)制，以及核小體組裝與著絲粒形成過程中的調(diào)控機(jī)制。

該研究部分結(jié)果于3月2在線發(fā)表于PNAS（doi: 10.1073/pnas.1418248112），韓方普研究組博士生劉亞林和蘇漢東為本文的共同第一作者。該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和中科院國(guó)際合作項(xiàng)目支持。