玉米新著絲粒形成及其表觀遺傳學(xué)

劉亞林，蘇漢東，韓方普

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玉米新著絲粒形成及其表觀遺傳學(xué)

劉亞林1,2，蘇漢東1,2，韓方普1

1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，植物細胞與染色體工程國家重點實驗室， 北京 100101； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

劉亞林(博士研究生)

蘇漢東(博士研究生)

著絲粒是染色體的重要組成部分，功能保守，在細胞分裂過程中確保染色體準(zhǔn)確分離。在著絲粒區(qū)域的核小體中，有一類組蛋白H3的變異體，在植物中稱為CENH3，在動物中稱為CENP-A；同時植物中含有在第133位蘇氨酸發(fā)生磷酸化的組蛋白H2A，這兩類組蛋白是活性著絲粒的表觀遺傳學(xué)標(biāo)記。著絲粒區(qū)域的DNA序列經(jīng)歷了高度的進化。除了釀酒酵母()單個核小體構(gòu)成功能著絲粒，其他物種中著絲粒包含大量重復(fù)序列，DNA序列復(fù)雜多變，核心區(qū)域的核小體排布方式尚不明確，在這些復(fù)雜的著絲粒中CENH3核小體的定位不是由特定DNA序列決定的。在不同物種中還發(fā)現(xiàn)了大量新著絲粒(在染色體上非著絲粒區(qū)域形成功能著絲粒)及雙著絲粒(原有著絲粒失去活性，由染色體上另一個活性著絲粒行使功能)。著絲粒形成有表觀遺傳學(xué)因素參與調(diào)控，那么在著絲粒形成過程中DNA序列有什么作用，是否存在核心DNA元件或特定的DNA排布引導(dǎo)CENH3核小體定位，又有哪些表觀遺傳學(xué)修飾參與著絲粒形成？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多年來利用玉米()中各種著絲粒變異材料研究著絲粒形成及其表觀遺傳學(xué)，并在著絲粒形成和功能研究方面取得了重要進展。

玉米著絲粒有大量重復(fù)序列，包括反轉(zhuǎn)座子序列CRM(Centromeric retrotransposon of maize)和簡單重復(fù)序列CentC。玉米有10對A染色體，還有一類額外染色體稱為B染色體，B著絲粒有特異的B-repeat重復(fù)序列，在花藥第二次有絲分裂中B著絲粒不分離。B染色體與A 染色體之間可以發(fā)生易位形成雙著絲粒染色體，在細胞分裂過程中發(fā)生著絲粒錯分裂、不分離以及染色體斷裂融合，產(chǎn)生大量著絲粒變異的染色體類型。通過電離輻射將成熟花粉的染色體打斷并將其授與正常受體，也可以產(chǎn)生著絲粒變異。本研究組通過這些不同途徑的著絲粒變異發(fā)現(xiàn)大量新著絲粒材料并對其進行深入研究。

早期，遺傳學(xué)家Stadler利用射線輻照在玉米中發(fā)現(xiàn)一條可以在細胞分裂中穩(wěn)定傳遞的小染色體名為Dp3a。本研究組通過FISH(Fluorescenthybridization)驗證發(fā)現(xiàn)Dp3a上丟失了著絲粒重復(fù)序列CentC和CRM，但是有正常的CENH3和H2A-pThr133信號；利用ChIP-seq技術(shù)(Chromatin immunoprecipitation-sequencing)，使用CENH3抗體，發(fā)現(xiàn)位于3號染色體長臂端部350 kb的常染色質(zhì)序列參與了Dp3a新著絲粒形成，這個著絲粒遠遠小于正常著絲粒的大小，并且有11個基因存在于CENH3緊密結(jié)合區(qū)域，有利于進一步研究著絲粒結(jié)構(gòu)與形成，這一結(jié)果已于2013年3月25日在線發(fā)表于(DOI:10.1073/pnas.1303944110)。

在早期研究中，本研究組韓方普研究員在玉米B-A易位染色體中發(fā)現(xiàn)大量雙著絲粒染色體，在細胞分裂中經(jīng)歷染色體內(nèi)重組，失活著絲?？梢曰謴?fù)活性 (, 2009)。本研究組發(fā)現(xiàn)小染色體sDic15中恢復(fù)活性的B著絲粒完全丟失CentC并丟失大部分CRM和B-repeat序列，同時著絲粒區(qū)域有正常的CENH3信號。通過ChIP-seq發(fā)現(xiàn)來自9號染色體短臂靠近著絲粒的723 kp DNA序列參與了sDic15中新著絲粒形成，這段723 kp區(qū)域的DNA甲基化水平在形成新著絲粒之前就已經(jīng)達到與正常著絲粒相同的水平，在形成新著絲粒之后維持同樣的水平，并且新著絲粒區(qū)域內(nèi)的基因可以轉(zhuǎn)錄。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在新著絲粒和正常著絲粒區(qū)域都富集DNA motif，說明723 kb結(jié)構(gòu)與正常著絲粒有高度相似性，這一結(jié)果于2013年6月14日在線發(fā)表于(DOI:1105/tpc.113.110015)。

在近期研究中，本研究組在玉米B著絲粒錯分裂的材料中發(fā)現(xiàn)一系列新著絲粒形成。其中小染色derivative3-3及其后代衍生材料完全丟失CentC和CRM。Derivative3-3中的B-repeat序列并不參與新著絲粒形成，而是由來自9號染色體短臂端部288 kb的基因組DNA序列參與。在后代變異的小染色體中，這個新形成的288 kb著絲粒失去活性，由染色體上其他序列結(jié)合CENH3核小體形成功能著絲粒，失活著絲粒依然保留其DNA痕跡(圖1)。說明新形成的288 kb著絲粒還不穩(wěn)定，在一定條件下容易被染色體其他部位所代替，而一個著絲粒只有足夠穩(wěn)定才能抑制染色體上其他潛在形成著絲粒的位點。這一體系為將來分析著絲粒結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系提供了特殊的材料。這一結(jié)果于2015年3月2日在線發(fā)表于(DOI:10.1073/pnas.1418248112)。

圖1 Derivative3-3新著絲粒形成但在后代中失去活性

A：Derivative3-3及其后代3-3-11的新著絲粒分別采用9號短臂288 kb和200 kb DNA序列；B：根據(jù)288 kb序列設(shè)計的探針probe1位于derivative3-3著絲粒區(qū)；C：代表derivative3-3著絲粒的probe1位于后代derivative3-3-6染色體的臂上而非著絲粒區(qū)域；D:代表derivative3-3著絲粒的probe1位于后代derivative3-3-7染色體的臂上而非著絲粒區(qū)域；E: 代表derivative3-3著絲粒的probe1位于后代derivative3-3-11染色體的臂上而非著絲粒區(qū)域。