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教育部細(xì)胞動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的工作以“Structural insights into human CCAN complex assembled onto DNA”為題，發(fā)表在Cell Discovery雜志。

細(xì)胞精確的自我復(fù)制是其生活史的重要組成部分。在細(xì)胞復(fù)制過程中，包含在染色體中的父代遺傳信息在經(jīng)歷諸多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)后，均等地傳遞給兩個(gè)子細(xì)胞。著絲粒是一個(gè)由多個(gè)蛋白質(zhì)機(jī)器組成的細(xì)胞器，在細(xì)胞有絲分裂過程中銜接染色體與紡錘體微管的結(jié)合，進(jìn)而調(diào)控染色體的正確分離【1-2】。著絲粒結(jié)構(gòu)與組裝異常導(dǎo)致染色體丟失、易位等，從而使細(xì)胞生長(zhǎng)失控，促進(jìn)癌癥的產(chǎn)生與發(fā)展。著絲粒組裝可塑性調(diào)控是細(xì)胞增殖、個(gè)體發(fā)育與物種繁衍的基礎(chǔ)，是細(xì)胞生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)及蛋白質(zhì)機(jī)器的研究熱點(diǎn)，30多年方興未艾。針對(duì)著絲粒組裝與調(diào)控相關(guān)蛋白質(zhì)機(jī)器的研究，不僅為揭示細(xì)胞命運(yùn)抉擇本質(zhì)，也為解析個(gè)體發(fā)育、疾病發(fā)生與發(fā)展的分子機(jī)制提供更為詳實(shí)的證據(jù)。

哺乳動(dòng)物細(xì)胞著絲粒含有四層超微精細(xì)結(jié)構(gòu)，約含有150余種蛋白質(zhì)。著絲粒其內(nèi)層主要是CENP-A核小體及CCAN（constitutive centromere-associated network）復(fù)合物組成的特異性的染色質(zhì)層，在其基礎(chǔ)上組裝的著絲粒外層KMN網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)了細(xì)胞有絲分裂過程中染色體與著絲粒的銜接【3，4】。由于大部分著絲粒蛋白含有低復(fù)雜度區(qū)域，解析高分辨著絲粒蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)一直是染色體生物學(xué)與表觀遺傳結(jié)構(gòu)生物學(xué)的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。為此，著絲粒內(nèi)層的詳盡分子構(gòu)成、著絲粒區(qū)域的核小體特征及著絲粒組裝蛋白識(shí)別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)信息的缺乏制約了著絲?？伤苄缘墓δ芙馕?。

伴隨漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過程，著絲粒從低等真核細(xì)胞芽殖酵母的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)演進(jìn)成為更為復(fù)雜的人類細(xì)胞區(qū)域性結(jié)構(gòu)【4】。自從2019年芽殖酵母的點(diǎn)狀著絲粒（point centromere）內(nèi)層結(jié)構(gòu)的——CENP-A核小體-CCAN復(fù)合物的結(jié)構(gòu)公布之后【5】，解析區(qū)域性著絲粒(regional centromere)與點(diǎn)狀著絲粒分子構(gòu)架與調(diào)控機(jī)制的異同成為了領(lǐng)域迫在眉睫的重要科學(xué)問題。事實(shí)上，多個(gè)國(guó)際頂尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室在過去的20年間試圖挑戰(zhàn)人源CCAN蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)性解析，但是一直未獲得成功。由細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室臧建業(yè)、孫林峰與姚雪彪組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過5年的不懈探索，成功地組裝了由CENP-C、CENP-LN、CENP-HIKM、CENP-TWSX、CENP-OPQUR 5個(gè)亞復(fù)合物組裝而成的CCAN復(fù)合物。

利用冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)、生物化學(xué)鑒定與細(xì)胞功能評(píng)估，他們解析了人源CCAN復(fù)合物的組裝模式、亞復(fù)合物構(gòu)架關(guān)聯(lián)以及各分子結(jié)合的界面信息。他們發(fā)現(xiàn)CENP-LN、CENP-HIKM、CENP-OPQUR、CENP-TWSX共同形成一個(gè)“隧道”，拓?fù)鋵W(xué)地包圍著絲粒DNA（圖1）。在此結(jié)構(gòu)中，CENP-LN異二聚體構(gòu)成了隧道的“拱頂”，通過多個(gè)帶正電的氨基酸殘基與DNA結(jié)合。CENP-TWSX復(fù)合物中的多個(gè)帶正電的氨基酸殘基，亦可以結(jié)合DNA，形成類核小體結(jié)構(gòu)。此外，CENP-C既可以結(jié)合CENP-LN，又可以結(jié)合CENP-HIKM，表明CENP-C在CCAN的組裝中具有重要的地位，提示它可以指導(dǎo)CCAN復(fù)合物的組裝。

圖1：CCAN復(fù)合物與著絲粒DNA結(jié)合形成多價(jià)態(tài)作用模式

CENP-A核小體-CCAN復(fù)合物結(jié)構(gòu)的解析，改變了以往人們對(duì)著絲粒組裝的認(rèn)知。此前，該研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)際同行的研究發(fā)現(xiàn)CENP-N蛋白通過其氨基端結(jié)合CENP-A的RG-loop【6】，從而招募CCAN其他亞復(fù)合物在著絲粒的上傳與組裝【7-9】。在此項(xiàng)研究中，通過結(jié)構(gòu)比較CENP-LN-CENP-A核小體的結(jié)合模式與CCAN-CENP-A核小體的結(jié)合模式，發(fā)現(xiàn)組裝后的CCAN復(fù)合物則通過與著絲粒DNA結(jié)合形成多價(jià)態(tài)作用模式，而不再與CENP-A結(jié)合。突變CENP-LN與DNA的結(jié)合界面會(huì)導(dǎo)致其著絲粒定位減弱與細(xì)胞有絲分裂染色體排列異常（圖2），提示CENP-LN與DNA的動(dòng)態(tài)結(jié)合是細(xì)胞有絲分裂期染色體運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。為此，組裝成熟后的CCAN復(fù)合物主體并不直接結(jié)合CENP-A核小體，而是錨定在核小體之間的連接DNA上，形成“套環(huán)”式“隧道”結(jié)構(gòu)鎖住DNA（圖3）。

圖2：CENP-LN與DNA的動(dòng)態(tài)結(jié)合是細(xì)胞有絲分裂期染色體運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

圖3：CENP-N的通過變構(gòu)效應(yīng)調(diào)控CCAN的組裝與DNA結(jié)合

基于系統(tǒng)性構(gòu)-效分析，該研究團(tuán)隊(duì)首次提出了著絲粒核心蛋白質(zhì)復(fù)合物CCAN與DNA拓?fù)淅p繞的多價(jià)態(tài)結(jié)合模式有利于著絲粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，為我們理解在染色體運(yùn)動(dòng)過程中著絲粒如何能夠承受紡錘體微管的拉力提供了新的工作模式。目前，他們正在解析CCAN組裝過程中的變構(gòu)機(jī)制與翻譯后修飾如何改變CCAN分子動(dòng)力學(xué)特征。

值得一提的是，CCAN的構(gòu)效解析是染色體生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)的核心科學(xué)問題。圍繞此重大科學(xué)問題，美國(guó)NIH、Harvard、MIT、Stanford，德國(guó)Max Planck Institute，英國(guó)MRC等科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在著絲粒構(gòu)-效關(guān)聯(lián)研究方面做了長(zhǎng)期的探索。在本研究發(fā)表過程中，英國(guó)MRC的Barford團(tuán)隊(duì)和德國(guó)MPI的Musacchio團(tuán)隊(duì)也分別報(bào)道了CCAN復(fù)合物的冷凍電鏡精細(xì)結(jié)構(gòu)【10-11】。三項(xiàng)獨(dú)立研究解析的CCAN復(fù)合物結(jié)構(gòu)高度一致，僅細(xì)節(jié)略有不同，相互印證了CCAN復(fù)合物具有廣泛的DNA結(jié)合界面。為此，新解析的CCAN復(fù)合物結(jié)構(gòu)與功能草圖為系統(tǒng)理解人類著絲粒復(fù)合物在有絲分裂過程的動(dòng)態(tài)重構(gòu)以及染色體區(qū)室化的調(diào)控模式提供了新工具與范式。

田甜副研究員、博士研究生陳麗麗、竇震副教授、博士研究生楊智森為該論文的第一作者。姚雪彪教授、臧建業(yè)教授、孫林峰教授與高新嬌副研究員為本論文的共同通訊作者。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院與教育部的鼎力支持。

論文鏈接：

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（細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研部）