自19世紀以來，科學家們已經注意到着絲粒的配置，這是一個特殊的染色體區域，對細胞分裂至關重要。然而，直到現在，人們對着絲粒分佈的決定機制和生物學意義還知之甚少。最近，研究人員提出了一個塑造着絲粒分佈的兩步調節機制。他們的研究結果還表明，細胞核中的着絲粒配置在維持基因組完整性方面發揮着作用。
該結果於8月1日發表在《自然-植物》雜誌上。這項研究是由東京大學的研究人員及其合作者領導的。
在細胞分裂的過程中，被稱為著絲粒的特殊染色體域被拉到細胞的兩端。在細胞分裂完成並構建了細胞核后，着絲粒在空間上分佈在細胞核中。如果被拉到兩極的着絲粒分佈保持不變，那麼細胞核的着絲粒將只集中在細胞核的一側。這種不均勻的着絲粒分佈被稱為拉布爾構型，以19世紀的細胞學家卡爾-拉布爾的名字命名。一些物種的細胞核顯示出分散的着絲粒分佈。這被稱為非拉布爾構型。
通訊作者、東京大學前沿科學研究生院教授Sachihiro Matsunaga說：“拉布爾構型或非拉布爾構型的生物功能和分子機制在幾個世紀以來一直是個謎。我們成功地揭示了構建非拉布爾構型的分子機制。”
科學家們研究了植物擬南芥，是一種已知具有非拉布爾構型的標本，以及其具有拉布爾構型的突變形式。通過他們的工作，他們發現被稱為凝集素II（CII）的蛋白複合物和被稱為核骨架和骨架連接體（LINC）複合物的蛋白複合物共同作用，決定細胞分裂過程中的着絲粒分佈。
Matsunaga說：“非拉布爾構型的中心粒分佈是由CII-LINC複合物和一種被稱為CROWDED NUCLEI（CRWN）的核層蛋白獨立調節的。”
研究人員發現的着絲粒分佈的兩步調控機制的第一步是，CII-LINC複合物介導着絲粒從晚期aphase到telophase–細胞分裂末期的兩個階段的散布。該過程的第二步是，CRWNs將分散的着絲粒穩定在細胞核內的核層上。
接下來，為了探索其生物學意義，研究人員分析了A. thaliana及其拉布爾結構突變體中的基因表達。由於着絲粒空間排列的變化也會改變基因的空間排列，研究人員預計會發現基因表達的差異，但事實證明這一假設是不正確的。然而，當施加DNA損傷壓力時，該突變體以比正常植物更慢的速度生長器官。
“這表明着絲粒空間排列的精確控制是響應DNA損傷應激的器官生長所必需的，而非拉布爾構型和拉布爾構型的生物體對DNA損傷應激的耐受性沒有差別，”Matsunaga說。“這表明，無論拉布爾構型如何，DNA在細胞核中的適當空間排列對應激反應很重要。”
據Matsunaga說，接下來的步驟是確定改變特定DNA區域空間排列的動力源和識別特定DNA的機制。
他說：“這樣的發現將導致開發出在細胞核中以適當的空間排列人為地安排DNA的技術。預計這項技術將使創造抗壓生物體成為可能，並通過改變DNA的空間排列而不是編輯其核苷酸序列來賦予新的特性和功能。”