遺傳發育所在植物著絲粒研究中取得進展

　　染色體的精確分離是保證遺傳信息正確傳遞和基因組穩定的前提，這個過程直接依賴著絲粒區組裝的多層動粒蛋白復合體和紡錘體微管間的動態結合。目前，在哺乳動物和酵母中已鑒定超過100個動粒蛋白，它們之間相互結合形成蛋白亞復合體結構，包括與著絲粒染色質直接結合的內側組成型CCAN蛋白網絡、與微管直接結合的外側KMN網絡復合物、調控細胞周期進程的紡錘體組裝檢驗點（SAC）等。動粒蛋白發生頻繁的變異，并與其互作蛋白以多種形式協同進化，導致真核生物動粒組成產生復雜的多樣性。例如，SAC信號組分Bub1/Mad3蛋白家族（BMF）在酵母和哺乳動物中有兩個拷貝，而在植物中發生兩次獨立重復事件，產生三個拷貝（Bmf1/2/3），其祖先蛋白保守的結構域在三個拷貝之間隨機重排和分配，相應蛋白的功能發生分化及新功能化。因此，在植物中對動粒蛋白組成及其生物學功能進行研究有助于闡明真核生物動粒復合體的復雜進化歷程，有利于對理解染色體正確分離和取向的基礎生物學過程提供不同認識。

　　中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員韓方普課題組長期從事植物染色體生物學的研究。在前期工作中，課題組在玉米著絲粒中發現，激酶Bmf1介導組蛋白H2AThr133磷酸化和激酶Haspin介導組蛋白H3T3磷酸化在著絲粒區發生時空周期性的動態變化，通過磷酸化相應底物維持動粒和紡錘體微管的結合，調控染色體的正確取向和分離（Dong and Han, 2012. Plant J；Su et al., 2017. New Phytol；Liu et al., 2017. Plant J；Liu et al., 2020. J Exp Bot）。然而，這些激酶如何結合到動粒蛋白復合體上，或者說在動粒復合體上的受體是什么，在植物中一直沒有相應的研究。前期關于其他物種的研究發現，Knl1作為動粒外側較大的骨架蛋白之一，通過不同的氨基酸短基序協調不同蛋白之間的相互作用，介導其他動粒復合物的組裝以及SAC信號的激活，如Mps1激酶磷酸化Knl1保守的MELT重復單元，招募Bub3-Bub1復合物定位到動粒，并促進Bub3-Mad3復合物的動粒定位。但由于Knl1蛋白具有復雜的進化歷史，植物Knl1蛋白在細胞分裂過程中的作用及其如何調控動粒SAC信號途徑尚不清楚。

　　該研究中，研究人員在玉米中首先克隆了動粒外側Knl1基因，細胞遺傳學的研究發現，Knl1作為動粒組成型蛋白，在有絲分裂和減數分裂過程持續定位在著絲粒區域；遺傳學的功能分析表明，Knl1敲除突變體影響有絲分裂染色體在赤道板的排列和后期染色體的分離。這些結果表明，植物Knl1蛋白表現出相對保守的功能。然而，多序列比對和系統發育分析發現，Knl1蛋白在植物、真菌和哺乳動物中發生廣泛的分化，而且單雙子葉植物中Knl1蛋白也位于不同的分支。植物Knl1蛋白沒有檢測到保守的SILK、RWD和MELT等結構域，暗示植物SAC組分招募到動粒的機制可能發生變化。進一步的蛋白互作的實驗發現，玉米Knl1蛋白只保留與BMF蛋白家族Bmf1/2的互作，失去了和Bmf3及Bub3的互作。一系列蛋白截斷和突變實驗證明，玉米Knl1蛋白中部一段145氨基酸可能和Bmf1/2的TPR結構域形成具有疏水界面的螺旋構象（盡管Bmf3也包含TPR結構域），而且這個區域在單雙子葉植物中表現出明顯的分化，暗示不同植物譜系SAC信號通路與動粒的結合存在不同模式。相關研究成果為動粒蛋白網絡和SAC信號通路之間提供了一個協同進化的模式。

　　相關研究成果在線發表在PNAS（DOI:10.1073/pnas.2022357118）上，博士蘇漢東（現為華中農業大學教授）和博士研究生劉陽、王春揮為論文的共同第一作者，韓方普為論文通訊作者。研究工作得到遺傳發育所研究員周儉民課題組在酶活性檢測方面的幫助，獲得國家自然科學基金委重點國際合作研究項目及重點項目的支持。

不同物種動粒Knl1和BMF蛋白家族間的結構比較