李国红研究组：表观遗传因子CENP-A介导着丝粒功能机制

　　

　　着丝粒是染色质上一段结构与功能高度特化的区域，在细胞分裂期指导动粒的组装，并在纺锤体的牵拉下实现姐妹染色单体的分离。CENP-A是组蛋白H3在着丝粒区的变体，是着丝粒区建立和发挥功能的关键性的表观遗传因子。CENP-A通过招募下游CCAN蛋白家族发挥其功能。CENP-N是CCAN蛋白家族中最重要的成员之一，处在CCAN蛋白家族中的核心位置，被CENP-A直接招募并且进一步招募下游其他CCAN蛋白。

　　2011年，中国科学院生物物理研究所的许瑞明课题组与李国红课题组合作解析了人源CENP-A与其装配因子HJURP复合物的晶体结构，揭示了CENP-A分子上的Ser68残基为HJURP识别的关键位点（Hu et al., Genes & Development, 2011）。

　　2015年初，李国红课题组的前期研究发现了CENP-A分子的Ser68的磷酸化/去磷酸化参与调节细胞G1期CENP-A在着丝粒区的装配（Yu et al., Development Cell, 2015），清楚地揭示了CENP-A如何装配到着丝粒区。

　　在以上研究的基础上，李国红课题组又对CENP-A装配到着丝粒区后如何调节染色质结构及发挥着丝粒功能进行了重点研究。利用实验室前期建立的30nm染色质纤维体外组装和结构分析等技术平台（Chen et al., Genes & Development, 2013; Song et al., Science, 2014），进一步研究了着丝粒特异变体CENP-A对30nm染色质纤维结构的调控，结果揭示CENP-A染色质呈现一种不同于常规H3染色质的独特的“双排结构”。

　　李国红课题组还利用生物化学和细胞生物学方法发现，CENP-A的RG loop（CENP-A特有的Arg80/Gly81两个氨基酸）对CENP-A染色质形成“双排结构”非常关键，并且还是CENP-A招募CENP-N的关键性位点。有趣的是，CENP-N只能够与结构开放的CENP-A染色质结合，而结构紧密的“双排”CENP-A染色质则可以抑制CENP-N的结合。进一步研究发现随着细胞周期中DNA的复制，着丝粒区CENP-A染色质结构由G1期的紧密状态转变为S期的开放状态，从而使CENP-N在S期被招募并装配至着丝粒CENP-A染色质上。综合以上结果，李国红课题组提出了着丝粒区染色质结构周期性的变化可以调节RG loop在CENP-A染色质上的“暴露”或“隐藏”，从而调节CENP-N周期性地装配至着丝粒，进而介导着丝粒的功能，为揭示表观遗传因子CENP-A在着丝粒染色质高级结构建立中的功能以及如何招募下游CCAN蛋白并完成着丝粒功能提供了答案。

　　5月5日，Genes & Development 杂志在线发表了李国红课题组关于着丝粒区染色质高级结构和功能的这一最新研究成果。

　　该项目得到了国家自然科学基金委、科技部“973”计划和中国科学院的基金支持。该研究的通讯作者为李国红，房俊男(博士研究生)为第一作者，该研究还得到了生物物理所许瑞明课题组的帮助与支持。

图例：着丝粒区CENP-A染色质高级结构的动态变化调控细胞周期中CENP-N的招募与装配

原文摘要：

Structural transitions of centromeric chromatin regulate the cell cycle-dependent recruitment of CENP-N

Specific recognition of centromere-specific histone variant CENP-A-containing chromatin by CENP-N is an essential process in the assembly of the kinetochore complex at centromeres prior to mammalian cell division. However, the mechanisms of CENP-N recruitment to centromeres/kinetochores remain unknown. Here, we show that a CENP-A-specific RG loop (Arg80/Gly81) plays an essential and dual regulatory role in this process. The RG loop assists the formation of a compact “ladder-like” structure of CENP-A chromatin, concealing the loop and thus impairing its role in recruiting CENP-N. Upon G1/S-phase transition, however, centromeric chromatin switches from the compact to an open state, enabling the now exposed RG loop to recruit CENP-N prior to cell division. Our results provide the first insights into the mechanisms by which the recruitment of CENP-N is regulated by the structural transitions between compaction and relaxation of centromeric chromatin during the cell cycle.