自19世纪以来，科学家们已经注意到着丝粒的配置，这是一个特殊的染色体区域，对细胞分裂至关重要。然而，直到现在，人们对着丝粒分布的决定机制和生物学意义还知之甚少。最近，研究人员提出了一个塑造着丝粒分布的两步调节机制。他们的研究结果还表明，细胞核中的着丝粒配置在维持基因组完整性方面发挥着作用。
该结果于8月1日发表在《自然-植物》杂志上。这项研究是由东京大学的研究人员及其合作者领导的。
在细胞分裂的过程中，被称为着丝粒的特殊染色体域被拉到细胞的两端。在细胞分裂完成并构建了细胞核后，着丝粒在空间上分布在细胞核中。如果被拉到两极的着丝粒分布保持不变，那么细胞核的着丝粒将只集中在细胞核的一侧。这种不均匀的着丝粒分布被称为拉布尔构型，以19世纪的细胞学家卡尔-拉布尔的名字命名。一些物种的细胞核显示出分散的着丝粒分布。这被称为非拉布尔构型。
通讯作者、东京大学前沿科学研究生院教授Sachihiro Matsunaga说：“拉布尔构型或非拉布尔构型的生物功能和分子机制在几个世纪以来一直是个谜。我们成功地揭示了构建非拉布尔构型的分子机制。”
科学家们研究了植物拟南芥，是一种已知具有非拉布尔构型的标本，以及其具有拉布尔构型的突变形式。通过他们的工作，他们发现被称为凝集素II（CII）的蛋白复合物和被称为核骨架和骨架连接体（LINC）复合物的蛋白复合物共同作用，决定细胞分裂过程中的着丝粒分布。
Matsunaga说：“非拉布尔构型的中心粒分布是由CII-LINC复合物和一种被称为CROWDED NUCLEI（CRWN）的核层蛋白独立调节的。”
研究人员发现的着丝粒分布的两步调控机制的第一步是，CII-LINC复合物介导着丝粒从晚期aphase到telophase--细胞分裂末期的两个阶段的散布。该过程的第二步是，CRWNs将分散的着丝粒稳定在细胞核内的核层上。
接下来，为了探索其生物学意义，研究人员分析了A. thaliana及其拉布尔结构突变体中的基因表达。由于着丝粒空间排列的变化也会改变基因的空间排列，研究人员预计会发现基因表达的差异，但事实证明这一假设是不正确的。然而，当施加DNA损伤压力时，该突变体以比正常植物更慢的速度生长器官。
“这表明着丝粒空间排列的精确控制是响应DNA损伤应激的器官生长所必需的，而非拉布尔构型和拉布尔构型的生物体对DNA损伤应激的耐受性没有差别，”Matsunaga说。“这表明，无论拉布尔构型如何，DNA在细胞核中的适当空间排列对应激反应很重要。”
据Matsunaga说，接下来的步骤是确定改变特定DNA区域空间排列的动力源和识别特定DNA的机制。
他说：“这样的发现将导致开发出在细胞核中以适当的空间排列人为地安排DNA的技术。预计这项技术将使创造抗压生物体成为可能，并通过改变DNA的空间排列而不是编辑其核苷酸序列来赋予新的特性和功能。”