Cell | 解密着丝粒的动态变化

撰文 | 易

人类着丝粒是染色体上的一个特殊区域，负责招募内着丝粒和外着丝粒复合物，从而确保细胞分裂过程中染色体的精确分配。具体而言，着丝粒上含有CENP-A核小体，这是连接内着丝粒复合物CCAN（constitutive centromere-associated network） 的核心组成部分。内着丝粒复合物不仅帮助稳定染色体，还在细胞周期的各个阶段确保外着丝粒复合物的招募，而外着丝粒复合物则负责与微管结合并牵引染色体。尽管关于着丝粒的功能和组成已有大量研究，但由于传统样本制备方法 （如电子显微镜的固定与染色） 难以捕捉细胞内结构的真实状态，着丝粒的精细结构在原位水平上仍未得到精确解析。虽然冷冻电子显微断层扫描 （cryo-ET） 等技术已被用于研究细胞中的微管和染色体的宏观结构，但着丝粒的具体三维结构、其与染色质的相互作用，以及在细胞分裂过程中的动态变化，仍然是未解之谜。

近日，宾夕法尼亚大学Ben E. Black和Yi-Wei Chang在Cell期刊上发表了文章Centromeric chromatin clearings demarcate the site of kinetochore formation，利用cryo-ET技术直接观察人类着丝粒在分裂中未连接微管的状态，揭示其内外复合物的三维结构及功能，特别是染色质开放区域（chromatin clearing）如何帮助内外着丝粒复合物的组织与功能。

在本研究中，作者首次使用cryo-ET技术对人类有丝分裂染色体进行观察，发现了着丝粒周围的染色质开放区域，这些区域与周围的染色质在结构上有所不同。染色质开放区域呈现出明显的界限，并包含较大且密度较高的蛋白质复合物，这些复合物被认为是内着丝粒复合物CCAN。染色质开放区域内的复合物较周围的核小体颗粒更大，且颗粒间的距离也更远。这一发现表明，染色质开放区域不仅有助于将内着丝粒复合物从周围的染色质中分隔开，还可能在着丝粒的组装和功能中发挥重要作用。

进一步研究表明，CENP-C在染色质开放区域的维持中起着重要作用。CENP-C作为CCAN复合物的一部分，是连接内着丝粒复合物和染色质的关键蛋白。通过cryo-ET分析发现CENP-C缺失会导致染色质开放区域的破坏，尤其是内着丝粒复合物与周围染色质的分隔效果减弱。与此相反，CCAN的其他组件，如CENP-N，虽然不直接影响染色质开放区域的结构，但它对于CCAN复合物的稳定性至关重要，表明CENP-C在组织着丝粒架构中的作用可能比其他CCAN组件更为关键。

作者进一步分析发现，位于染色质开放区域中的复合物主要是由20–25纳米大小的球形颗粒组成，这些颗粒的形状与已知的内着丝粒CCAN复合物相符。每个内着丝粒复合物都紧密地与CENP-A核小体结合，形成一个密集的核小体复合物。CENP-A核小体不仅有助于CCAN复合物的招募，还通过与其他蛋白质的相互作用维持着丝粒的结构稳定。作者还观察到，多个内着丝粒复合物常常沿着DNA链相互联系，形成一个由多个核小体交替排列的复合物群，这些复合物在三维空间内相互聚集，形成了具有结构多样性的着丝粒。

除了内着丝粒复合物，作者还观察到了纤维冠的结构。纤维冠是一个由RZZ复合物和Spindly蛋白组成的动态结构，通常在未连接微管的着丝粒上形成。在细胞分裂过程中，纤维冠扩展成弯月形结构，形成了一个大范围的微管结合表面，从而增强微管的结合力并触发纺锤体组装检查点。作者发现，在未连接微管的条件下，纤维冠的结构发生显著变化，表现为微管去聚合后的扩展形态。该扩展的纤维冠呈现出由大量纤维交织而成的网状结构，单根纤维的宽度约为12纳米，这与已知的RZZ-Spindly纤维的尺寸一致。研究还表明，纤维冠的扩展程度与着丝粒的大小密切相关，具有更多CENP-A核小体的着丝粒。

综上所述，通过cryo-ET技术，作者揭示了人类有丝分裂过程中着丝粒的三维结构，首次观察到了染色质开放区域及其在着丝粒功能中的关键作用。CENP-C在维持染色质开放区域的完整性和确保着丝粒功能方面起着核心作用，而CENP-N虽然支持CCAN的稳定性，但不直接影响清空区域的维持。此外，纤维冠的形成和扩展是微管结合和纺锤体检查点激活的关键，研究表明RZZ-Spindly复合物是纤维冠的主要结构成分。这项研究为我们深入理解着丝粒的功能与结构提供了新的视角，并为细胞分裂中着丝粒与微管相互作用的机制研究奠定了基础。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.12.025

制版人：十一

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