程祝宽研究组Plant Cell揭秘细胞分裂

　　

生物通报道：来自中科院遗传与发育生物学研究所，云南农业大学的研究人员利用图位克隆的方法，在水稻中克隆了植物中首个Bub1同源基因BRK1(Bub1-related kinase1)，为解析细胞分裂过程中纺锤体组装提出了新观点，相关研究结果发表在12月15日在Plant Cell杂志上。

领导这一研究的是遗传与发育生物学研究所基因组生物学研究中心程祝宽研究员，其早年毕业于扬州大学，目前主要从事植物减数分裂过程的遗传控制，水稻花器官发育及种子形成的分子机理等方面的研究。这项研究得到科技部和国家自然科学基金委项目的资助。

在细胞分裂过程中纺锤丝与着丝粒起初会以随机方式相连接，使得前中期存在许多错误的连接方式。比如一个着丝粒同时受到来自相反方向的纺锤丝牵引，这种现象被称作merotelic连接。如果这些错误的连接不被纠正，将会导致着丝粒间的拉力异常，引起染色体的不同步分离。因此，真核生物采用了一种监控机制来延迟染色体分离，给纠正错误连接方式留有充足时间，该机制被称作纺锤体组装监控。

Bub1(Bub1-related kinase1)是一个丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它是纺锤体组装监控机制中的上游蛋白，可以招集其它监控蛋白定位到着丝粒上。虽然Bub1的序列和功能在不同物种中比较保守，可在植物界中至今仍未有相关报道。

在这篇文章中，研究人员利用图位克隆的方法，在水稻中克隆了植物中首个Bub1同源基因BRK1(Bub1-related kinase1)。brk1突变体营养生长正常，但在减数分裂后期I姊妹染色单体提前分离，最终导致完全不育。BRK1具有保守的TPR和激酶结构域，而缺失了GLEBS结构域。BRK1在减数分裂及有丝分裂过程中始终定位在着丝粒蛋白复合体的外层，与酵母及多细胞动物相似，BRK1对于着丝粒区域组蛋白H2A第134位苏氨酸的磷酸化起重要作用，并且调控shugoshin蛋白的着丝粒定位。

在brk1突变体减数分裂中期I，错误的merotelic连接方式不能被及时修正，使得该时期同源染色体着丝粒间的拉力降低，并引起纺锤体形态异常，最终导致后期I同源染色体分离的不同步。在BRK1丧失功能的情况下，着丝粒区域组蛋白H3第10位丝氨酸在终变期不能被磷酸化。H3第10位丝氨酸是Aurora B激酶的保守底物，而Aurora B又直接参与微管和着丝粒错误连接的纠正。因此，推测BRK1通过调节中期I早期Aurora激酶的定位从而促进错误连接方式的纠正。

这项研究为探索植物纺锤体组装监控蛋白的功能开创了先例，是程祝宽研究组近年来细胞分裂研究方面的又一重要成果。

程祝宽研究组曾在Plant Cell，Plant Journal等多份权威期刊中发表研究成果，比如他们曾在水稻减数分裂同源染色体分离机制研究中取得新进展，为进一步揭示植物减数分裂过程中同源染色体分离的分子机制提供了新思路。

除此之外，今年早期这一研究组在之前研究的基础上，进一步探明了植物雄性减数分裂起始的分子机制，他们发现植物雄性生殖细胞的形成拥有其独特的减数分裂起始机制，花粉母细胞的正常发生受CC类谷氧还蛋白MIL1调控，MIL1基因突变导致花粉母细胞不能正常形成，从而不能进入减数分裂，对应细胞继续进行有丝分裂。该突变还影响内层花药壁细胞的分化，但不影响大孢子母细胞的形成与减数分裂进行。（生物通：万纹）

原文摘要：
BRK1, a Bub1-Related Kinase, Is Essential for Generating Proper Tension between Homologous Kinetochores at Metaphase I of Rice Meiosis
Bub1 (for budding uninhibited by benzimidazole 1), one of the main spindle checkpoint kinases, acts as a kinetochore scaffold for assembling other checkpoint proteins. Here, we identify a plant Bub1-related kinase 1 (BRK1) in rice (Oryza sativa). The brk1 mutants are sterile due to the precocious separation of sister chromatids at the onset of anaphase I. The centromeric recruitment of SHUGOSHIN1 and phosphorylation of histone H2A at Thr-134 (H2A-pT134) depend on BRK1. Although the homologs can faithfully separate from each other at the end of meiosis I, the uncorrected merotelic attachment of paired sister kinetochores at the early stage of metaphase I in brk1 reduces the tension across homologous kinetochores, causes the metaphase I spindle to be aberrantly shaped, and subsequently affects the synchronicity of homolog separation at the onset of anaphase I. In addition, the phosphorylation of inner centromeric histone H3 at Ser-10 (H3-pS10) during diakinesis depends on BRK1. Therefore, we speculate that BRK1 may be required for normal localization of Aurora kinase before the onset of metaphase I, which is responsible for correcting the merotelic attachment.

作者简介：
程祝宽
研究员，博士生导师。

1987年获扬州大学农学系农学学士，1990年获扬州大学农学系作物遗传育种硕士，1999年获中国科学院遗传研究所理学博士，1999年至2002年在美国Wisconsin-Madison大学从事博士后研究。2002年12月入选中国科学院“****”，终期考核为优秀。2003年获国家杰出青年基金资助，目前主持国家自然科学基金重点项目和科技部“863”及“973”课题。在Nature、Sciences、Nature Genetics、PNAS等国际刊物上发表论文30余篇。

主要研究内容包括：

1.植物减数分裂过程的遗传控制
减数分裂是配子形成过程中进行的一种特殊分裂方式，其特点是染色体复制一次，细胞分裂两次，形成了染色体数目减半的配子。雌雄配子受精形成合子，染色体又恢复到原来的数目。由于减数分裂过程来自父母双方染色体的充分重组和精确分离，在保证物种遗传物质相对稳定的基础上，为有性后代提供了极其丰富的多样性，这也正是借助有性杂交进行遗传选择的基础。减数分裂过程是一极其复杂的生命过程，涉及减数分裂的启动，同源染色体的配对、联会、交换和分离等一系列染色体的变化过程，这些过程受着许多基因的调控，一直成为生物科学研究的热点。我们以水稻作为模式生物，通过正向和反向两种途径，系统研究参与减数分裂过程的基因，了解这些它们的作用网络，为最终解析减数分裂调控的分子机理提供依据。

2.水稻花器官发育及种子形成的分子机理
花器官是植物特有的生殖器官，其遗传与发育受到许多基因的调控。水稻作为单子叶分子生物学研究的模式生物，其花器官与双子叶植物有着质的差别。我们以水稻为模式生物，通过诱发花器官变异的突变体，克隆相关基因，为深入了解单子叶生物花器官形成与发育的分子机理提供证据。