Nat Commun丨人源动粒复合体识别着丝粒核小体阵列的结构与组装机制

遗传信息的 精准 传递 是 生命 延续的 基础 。 在真核生物中，这一过程 依赖 于动粒（ kinetochore ）的 功能。动粒 是组装 在 着丝粒 （ centromere ） 上的 大型 蛋白质复合 体 ， 能够将染色体连接 至 有丝分裂纺锤体，并利用微管 解聚 所释放 的能量 ， 在 细胞 分裂过程中 驱动 姐妹染色单体 准确 分离【1】。

动粒主要由内层动粒CCAN（ constitutive centromere-associated network ）复合体和负责微管结合的外层动粒 KMN 复合体组成。内层动粒依赖对 CENP-A 核小体的识别特异性组装于着丝粒染色质上，并在有丝分裂期间招募外层动粒，进而建立染色体与纺锤体微管之间的连接【2, 3】。

人类 区域性 着丝粒 长度 可 达 数 百万 碱基 ，由 数千个 串联 重复 的 171 bp α- 卫星 DNA 组成 。 理论上， 每 个重复 单元均 可 组装 一个 CENP-A 核小体 。 然而，最新的端粒到端粒（ telomere-to-telomere ， T2T ）测序 结果 表明，每条染色体上仅 存在 数百个 CENP-A 核小体， 它们集中分布于 染色体 中央的一段 低甲基化 区域， 即 “ 着丝粒凹陷区 ” （ centromere dip region, CDR ）， 其长度 仅 为 数十万个 碱基【4】。

早期的电镜和 荧 光显微镜研究 表明 ，人类着丝粒 - 动粒复合体位于染色体 中央 的 主缢痕区域 ， 并 呈 现 盘状结构 。该 结构直径约为 200 nm ，具有两 层 明显的板状结构，分别对应内 层 和外 层 动粒。然而，动粒 与 α- 卫星 DNA 的 相互作用 方式， 以及着丝粒重复序列所形成的高级染色质结构 ， 目前仍有待进一步阐明。

近 日 ， 来自英国 剑桥 MRC 分子生物学实验室（ MRC Laboratory of Molecular Biology ） 的David Barford课题组 （余聪博士为第一作者） 在 Nature C ommunications 发表 了 题为 Models for the architecture of the human inner kinetochore on centromeric α - satellite CENP - A nucleosome arrays 的研究论文 。 该研究解析了人源内层动粒CCAN复合体分别与α-卫星DNA、CENP-A单核小体及二核小体的冷冻电镜结构，并据此提出了多种结构模型，系统揭示了CCAN识别着丝粒核小体阵列并介导染色体分离的分子机制。

图 1. CCAN 结合 DNA ， CENP-A 单核小体和二核小体的三维结构

CCAN 复合体由 16 个亚基组成，可分为五个功能模块 ，包括 CENP-C ， CENP-OPQUR ， 以及三个 DNA 结合模块 CENP-LN 、 CENP-HIKM 和 CENP-TWSX 。其中， CENP-TWSX 由 4 个 含 组蛋白折叠结构域 （ histone-fold domain, HFD ） 的蛋白构成。在本研究中，作者在体外重构了 CCAN 分别与 171 bp α- 卫星 DNA 、 212 bp α- 卫星 DNA 单核小体以及 324 bp α- 卫星 DNA 二核小体形成的复合物，并解析了其冷冻电镜结构。

结构分析表明， CCAN 通过两种机制 稳定结合 着丝粒 DNA ：其一， CENP-LN 与 CENP-I 形成 DNA 结合通道，对 DNA 进行拓扑包裹；其二， CENP-TWSX 形成的 HFD 四聚体缠绕 DNA ，模拟核小体的结合方式。这一 结果不仅 解释了此前生化与细胞生物学 研究中的相关 现象， 也 支持了 CCAN 在着丝粒 区域 形成类核小体结构的模型【5】。 在单核小体结合状态下 ， CENP-TWSX 能够结合 上游相邻的 α- 卫星 DNA ，提示 CCAN 可能参与连接 相邻重复序列，并与上游核小体竞争 DNA 结合位点。当连续 两个 α- 卫星 重复 形成二核小体时， CCAN 能够从 CENP- TWSX 模块及上游 CENP-A 核小体中解开约 25 bp 的 DNA ，并结合核小体之间的连接 DNA 。 该结构特征揭示了 CCAN 作为承载 拉力 元件参与染色体分离的潜在分子基础。

基于上述结构数据，作者提出了 CCAN 在串联 α- 卫星重复序列上的排列模型 ， 为理解动粒高级组装及其整体空间构型提供了 新的结构 框架。同时，结合 Andrew Stergachis 实验室近期发表的 Fiber-Seq 数据， 研究还 对着丝粒核心区域的 DNA 保护足迹进行了对比分析，从侧面验证了 CCAN 在着丝粒染色质上的结合 模式【6】。

总体而言，该研究系统揭示了内层动粒CCAN复合体在CENP-A核小体阵列上的组装机制，提出了人类着丝粒-动粒复合体高级结构的新模型，为未来在原位条件下解析其结构奠定了重要基础。

MRC 分子生物学实验室 D avid Barford 研究员 为通讯作者 ，余聪 博士 为本文 的 第一作者 。 爱丁堡大学的 Kyle W. Muir 博 士， MRC 分子生物学实验室的 Jing Yang 以及 Zig uo Zhang 对本 研究 做出了重要贡献。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72856-0

制版人： 十一

参考文献

1 McAinsh, A. D. & Marston, A. L. The Four Causes: The Functional Architecture of Centromeres and Kinetochores.Annu Rev Genet56 , 279-314 (2022). https://doi.org/10.1146/annurev-genet-072820-034559

2 Yatskevich, S. et al. Structure of the human inner kinetochore bound to a centromeric CENP-A nucleosome.Science376 , 844-852 (2022). https://doi.org/10.1126/science.abn3810

3 Yatskevich, S., Yang, J., Bellini, D., Zhang, Z. & Barford, D. Structure of the human outer kinetochore KMN network complex.Nat Struct Mol Biol31 , 874-883 (2024). https://doi.org/10.1038/s41594-024-01249-y

4 Altemose, N. et al. Complete genomic and epigenetic maps of human centromeres.Science376 , eabl4178 (2022). https://doi.org/10.1126/science.abl4178

5 Nishino, T. et al. CENP-T-W-S-X forms a unique centromeric chromatin structure with a histone-like fold.Cell148 , 487-501 (2012). https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.11.061

6 Dubocanin, D. et al. Conservation of dichromatin organization along regional centromeres.Cell Genom5 , 100819 (2025). https://doi.org/10.1016/j.xgen.2025.100819

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