陳勇研究組合作揭示酵母染色體端粒粘附到細(xì)胞核內(nèi)膜上的調(diào)控機(jī)制
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時(shí)間：2018-11-30
11月20日和29日，國際學(xué)術(shù)期刊Nucleic Acid Research和Structure分別在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所陳勇研究組題為“Structural insights into chromosome attachment to the nuclear envelope by an inner nuclear membrane protein Bqt4 in fission yeast ”和“The inner nuclear membrane protein Bqt4 in fission yeast contains a DNA-binding domain essential for telomere association with the nuclear envelope ”的研究論文，兩篇論文系統(tǒng)揭示了Bqt4在端粒-核膜連接中發(fā)揮功能的分子機(jī)制。
真核細(xì)胞染色質(zhì)通常會區(qū)域性地定位于細(xì)胞核內(nèi)膜周圍，這一現(xiàn)象在高等生物細(xì)胞中普遍存在。染色質(zhì)與核內(nèi)膜的粘連是受到動態(tài)調(diào)控的，如體細(xì)胞有絲分裂間期染色質(zhì)末端（端粒）會被招募到細(xì)胞核內(nèi)膜上，進(jìn)入有絲分裂期端粒又會從細(xì)胞核內(nèi)膜上解離下來。這一周期性的端粒-核膜連接對染色質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持以及細(xì)胞分裂至關(guān)重要。在裂殖酵母細(xì)胞中，端粒與細(xì)胞核內(nèi)膜的連接通過端粒蛋白Rap1和核內(nèi)膜蛋白Bqt4來完成。然而其具體的相互作用模式以及細(xì)胞周期性調(diào)控機(jī)制并不是很清楚。
在發(fā)表于Nucleic Acids Research的工作中，研究人員首先確定核內(nèi)膜蛋白Bqt4通過其NTD（N-terminal domain）和端粒蛋白Rap1的BBM（Bqt4-Binding-Motif）相互作用，并解析了Bqt4NTD-Rap1BBM復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)端粒蛋白Rap1的BBM形成一股α-螺旋坐落于核膜蛋白Bqt4NTD由三股β-折疊形成的口袋當(dāng)中。酵母體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)突變兩者相互作用的重要氨基酸時(shí)，裂殖酵母的端粒不再被招募到細(xì)胞核內(nèi)膜上，同時(shí)會導(dǎo)致減數(shù)分裂障礙以及畸形孢子的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)模型和生化分析顯示端粒蛋白Rap1 BBM的N端和C端兩個(gè)絲氨酸可以被不同的激酶磷酸化，從而分別增強(qiáng)和減弱Bqt4-Rap1之間的相互作用。這揭示了端粒被招募到細(xì)胞核內(nèi)膜上的動態(tài)調(diào)控機(jī)制。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，Bqt4 NTD可以作為一種骨架蛋白以相同的口袋來結(jié)合多種蛋白，包括核內(nèi)膜蛋白Lem2和Sad1等，并解析了Bqt4NTD-Lem2BBM和Bqt4NTD-Sad1BBM的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。此前有研究報(bào)道Lem2和Sad1對異染色質(zhì)維持以及減數(shù)分裂的重要性，因此，這項(xiàng)工作也擴(kuò)展了人們對核膜蛋白Bqt4功能的理解。
在發(fā)表于Structure的工作中，研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)Bqt4 NTD非常類似一種名為APSES的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，并且通過生化實(shí)驗(yàn)確定Bqt4具有雙鏈DNA結(jié)合能力。酵母體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)突變與DNA相互作用的關(guān)鍵氨基酸時(shí)，會導(dǎo)致端粒從核膜上解離下來。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Bqt4 NTD結(jié)合DNA與結(jié)合端粒蛋白Rap1的結(jié)合面有一定的重疊，競爭性實(shí)驗(yàn)表明DNA和Rap1是競爭性結(jié)合Bqt4 NTD的。綜合所有數(shù)據(jù)，該項(xiàng)工作認(rèn)為Bqt4 NTD結(jié)合DNA首先在“宏觀”上拉近染色質(zhì)與核內(nèi)膜的距離，從而促使端粒蛋白更容易接觸到到核膜上的Bqt4。因此Bqt4 NT的DNA結(jié)合能力是誘導(dǎo)了端粒被招募到細(xì)胞核內(nèi)膜上的初始（Priming）過程。
該兩項(xiàng)工作均與日本大阪大學(xué)的Junko Kanoh研究團(tuán)隊(duì)合作完成。陳勇組胡純一博士、日本大阪大學(xué)的Haruna Inoue博士、陳勇組博士研究生孫文琦為本文的共同第一作者，陳勇研究員和Junko Kanoh教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了中科院、基金委、科技部以及上海市科委等經(jīng)費(fèi)支持。同時(shí)國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施（上海）線站工作人員在晶體衍射數(shù)據(jù)收集中給予了支持與幫助。
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酵母內(nèi)膜蛋白Bqt4參與端粒和核膜連接的分子模型。Bqt4喪失Rap1蛋白或者DNA結(jié)合能力后，導(dǎo)致端粒從核膜上解離。
