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揭示酵母染色体端粒粘附到细胞核内膜上的调控

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揭示酵母染色体端粒粘附到细胞核内膜上的调控

  真核细胞染色质通常会区域性地定位于细胞核内膜周围,这一现象在高等生物细胞中普遍存在。染色质与核内膜的粘连是受到动态调控的,如体细胞有丝分裂期间染色质末端(端粒)会被招募到细胞核内膜上,进入有丝分裂期端粒又会从细胞核内膜上解离下来。这一周期性的端粒-核膜连接对染色质稳态的维持以及细胞分裂至关重要。在裂殖酵母细胞中,端粒与细胞核内膜的连接通过端粒蛋白Rap1和核内膜蛋白Bqt4来完成。然而其具体的相互作用模式以及细胞周期性调控机制并不是很清楚。

  在发表于Nucleic Acids Research 的工作中,研究人员首先确定核内膜蛋白Bqt4通过其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复合物的晶体结构。结构分析发现端粒蛋白Rap1的BBM形成一股α-螺旋坐落于核膜蛋白Bqt4NTD由三股β-折叠形成的口袋当中。酵母体内实验发现突变两者相互作用的重要氨基酸时,裂殖酵母的端粒不再被招募到细胞核内膜上,同时会导致减数分裂障碍以及畸形孢子的产生。结构模型和生化分析显示端粒蛋白Rap1 BBM的N端和C端两个丝氨酸可以被不同的激酶磷酸化,从而分别增强和减弱Bqt4-Rap1之间的相互作用。这揭示了端粒被招募到细胞核内膜上的动态调控机制。此外,研究人员还发现,Bqt4 NTD可以作为一种骨架蛋白以相同的口袋来结合多种蛋白,包括核内膜蛋白Lem2和Sad1等,并解析了Bqt4NTD-Lem2BBM和Bqt4NTD-Sad1BBM的复合物晶体结构。此前有研究报道Lem2和Sad1对异染色质维持以及减数分裂的重要性,因此,这项工作也扩展了人们对核膜蛋白Bqt4功能的理解。

  在发表于Structure 的工作中,研究人员同时发现Bqt4 NTD非常类似于一种名为APSES的DNA结合结构域,并且通过生化实验确定Bqt4具有双链DNA结合能力。酵母体内实验结果显示,当突变与DNA相互作用的关键氨基酸时,会导致端粒从核膜上解离下来。同时发现,Bqt4 NTD结合DNA与结合端粒蛋白Rap1的结合面有一定的重叠,竞争性实验表明DNA和Rap1是竞争性结合Bqt4 NTD的。综合所有数据,该项工作认为Bqt4 NTD结合DNA首先在“宏观”上拉近染色质与核内膜的距离,从而促使端粒蛋白更容易接触到核膜上的Bqt4。因此Bqt4 NT的DNA结合能力诱导了端粒被招募到细胞核内膜上的初始(Priming)过程。

  该两项工作均与日本大阪大学的Junko Kanoh研究团队合作完成。陈勇组博士胡纯一、日本大阪大学博士Haruna Inoue、陈勇组博士研究生孙文琦为论文的共同第一作者,陈勇和Junko Kanoh为论文的共同通讯作者。该研究工作得到中科院、基金委、科技部以及上海市科委等的支持。同时国家蛋白质科学研究设施(上海)线站工作人员在晶体衍射数据收集中给予了支持与帮助。

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