玉米新著絲粒形成及其表觀遺傳學

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

劉亞林1,2，蘇漢東1,2，韓方普1

1. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所，植物細胞與染色體工程國家重點實驗室， 北京 100101； 2. 中國科學院大學， 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確分離。在著絲粒區域的核小體中，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標記。著絲粒區域的DNA序列經歷了高度的進化。除了釀酒酵母()單個核小體構成功能著絲粒，其他物種中著絲粒包含大量重復序列，DNA序列復雜多變，核心區域的核小體排布方式尚不明確，在這些復雜的著絲粒中CENH3核小體的定位不是由特定DNA序列決定的。在不同物種中還發現了大量新著絲粒(在染色體上非著絲粒區域形成功能著絲粒)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因素參與調控，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CENH3核小體定位，又有哪些表觀遺傳學修飾參與著絲粒形成？中國科學院遺傳與發育生物學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，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序列，包括反轉座子序列CRM(Centromeric retrotransposon of maize)和簡單重復序列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 染色體之間可以發生易位形成雙著絲粒染色體，在細胞分裂過程中發生著絲粒錯分裂、不分離以及染色體斷裂融合，產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現大量新著絲粒材料并對其進行深入研究。

早期，遺傳學家Stadler利用射線輻照在玉米中發現一條可以在細胞分裂中穩定傳遞的小染色體名為Dp3a。本研究組通過FISH(Fluorescenthybridization)驗證發現Dp3a上丟失了著絲粒重復序列CentC和CRM，但是有正常的CENH3和H2A-pThr133信號；利用ChIP-seq技術(Chromatin immunoprecipitation-sequencing)，使用CENH3抗體，發現位于3號染色體長臂端部350 kb的常染色質序列參與了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緊密結合區域，有利于進一步研究著絲粒結構與形成，這一結果已于2013年3月25日在線發表于(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易位染色體中發現大量雙著絲粒染色體，在細胞分裂中經歷染色體內重組，失活著絲?？梢曰謴突钚?(, 2009)。本研究組發現小染色體sDic15中恢復活性的B著絲粒完全丟失CentC并丟失大部分CRM和B-repeat序列，同時著絲粒區域有正常的CENH3信號。通過ChIP-seq發現來自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區域的DNA甲基化水平在形成新著絲粒之前就已經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，并且新著絲粒區域內的基因可以轉錄。進一步研究發現，在新著絲粒和正常著絲粒區域都富集DNA motif，說明723 kb結構與正常著絲粒有高度相似性，這一結果于2013年6月14日在線發表于(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現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構與功能之間的關系提供了特殊的材料。這一結果于2015年3月2日在線發表于(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288 kb序列設計的探針probe1位于derivative3-3著絲粒區；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域。