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。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所韓方普研究組長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號染色體特殊材料,他們發(fā)現(xiàn)來自3號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。CENH3-ChIP-Seq分析結(jié)果表明玉米3號染色體長臂上一段常染色質(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號染色體的變異材料,發(fā)現(xiàn)玉米9號染色體短臂的一段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)工作得到國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和中科院國際合作項(xiàng)目支持。