前体rRNA通过保护SMC2免受AURKA磷酸化调控染色体分离的新机制

《Cell Death & Disease》：Pre-rRNAs control mitosis by maintaining chromosomal segregation through protecting SMC2 from AURKA-mediated phosphorylation

本研究针对前体rRNA在细胞有丝分裂中的调控机制这一科学问题，通过蛋白质组学、免疫共沉淀和体外磷酸化等技术，首次揭示了前体rRNA通过形成染色体外周屏障，阻止AURKA接近染色体并磷酸化SMC2蛋白T574位点，从而维持染色体正常分离的分子通路。该发现为理解核糖体RNA前体的非经典功能提供了新视角，并为靶向SMC2的癌症治疗策略提供了理论依据。

　　

当细胞进入有丝分裂这一精密的生命过程时，细胞核内会发生一系列戏剧性的变化：核膜解体、核仁消失、染色质凝缩成染色体。在这一过程中，原本位于核仁中的前体核糖体RNA（pre-rRNA）会重新定位到染色体的外周区域，形成一层特殊的保护层。然而，这层保护层究竟发挥着怎样的功能？这一直是细胞生物学领域悬而未决的谜题。

近日，北京大学基础医学院细胞生物学系孙诗琪等人在《Cell Death and Disease》上发表的研究，揭开了前体rRNA在有丝分裂中的关键作用。研究人员发现，当抑制前体rRNA的转录时，细胞会出现严重的染色体分离异常和有丝分裂灾难。这一现象背后的机制是：前体rRNA的缺失导致极光激酶A（AURKA）异常接近染色体，并磷酸化染色体结构维持蛋白SMC2的T574位点，进而破坏SMC2/SMC4二聚体的形成及其与DNA的结合能力，最终导致染色体无法正常分离。

为阐明这一机制，研究团队运用了多项关键技术：通过时间延迟活细胞成像系统追踪有丝分裂进程；利用染色体组分分离结合定量蛋白质组学分析染色体结合蛋白的动态变化；采用免疫共沉淀和质谱分析鉴定蛋白质相互作用；通过体外磷酸化实验验证酶促反应；开发特异性磷酸化抗体检测内源性蛋白修饰；利用染色质免疫沉淀技术分析蛋白与DNA的相互作用。

研究结果

前体rRNA缺失导致染色体分离异常和有丝分裂灾难

研究人员使用低剂量的actinomycin D（Act D）、BMH-21或CX5461抑制RNA聚合酶I（Pol I）活性，显著降低了细胞内45S、30S和32S等前体rRNA水平。通过时间延迟成像观察发现，前体rRNA缺失显著延长了细胞从核膜破裂到有丝分裂退出的时间，并诱导染色体错误排列、滞后和桥接等异常现象。最终，这些细胞表现出多核化比例增加，表明发生了有丝分裂灾难。

前体rRNA缺失导致AURKA接近染色体

通过定量蛋白质组学分析，研究人员比较了前体rRNA存在和缺失情况下与染色体结合的蛋白质组成。结果显示，前体rRNA缺失导致67种蛋白质从染色体上解离，同时有5种蛋白质（包括AURKA）更多地结合到染色体上。染色体组分分离和免疫荧光实验证实，AURKA在前体rRNA缺失时确实更多地定位到染色体区域，而这一现象与TPX2的定位变化无关。

AURKA选择性结合染色体上的SMC2

为了探究AURKA在染色体上的作用靶点，研究人员通过免疫共沉淀结合质谱分析，鉴定了AURKA在前体rRNA缺失条件下结合的蛋白质。结果显示，SMC2是AURKA的关键结合靶点之一。进一步实验证实，前体rRNA缺失显著增强了AURKA与SMC2的结合，并导致SMC2从染色体上解离。体外GST pull-down实验表明，AURKA直接与SMC2的ATP酶头部结构域结合。

AURKA介导的SMC2 T574磷酸化导致有丝分裂灾难

研究人员发现前体rRNA缺失会增强SMC2的磷酸化水平，而这一过程依赖于AURKA的激酶活性。通过比对AURKA底物的共识序列（R/K/N-R-X-S/T-B），他们确定SMC2的T574是唯一的潜在磷酸化位点。体外磷酸化实验证实，AURKA能够直接磷酸化SMC2的T574位点，而对T574A突变体则无此作用。功能实验表明，磷酸化缺陷型突变体SMC2 T574A能够逆转前体rRNA缺失引起的多核化现象，而磷酸化模拟突变体SMC2 T574D则无此功能。

内源性SMC2 T574在pre-rRNA缺失细胞中被AURKA磷酸化

研究人员开发了特异性识别SMC2 T574磷酸化的抗体，证实了内源性SMC2 T574在前体rRNA缺失的细胞中被AURKA磷酸化。免疫荧光显示，磷酸化的SMC2 T574定位在染色体上，且这一磷酸化事件可被AURKA抑制剂TCS7010或MLN8237所抑制。

SMC2 T574磷酸化破坏SMC2/SMC4结合及其与染色体DNA的结合

SMC2 T574位于SMC2与SMC4相互作用的关键铰链区。研究人员发现，前体rRNA缺失会显著减弱SMC2与SMC4的结合，并破坏SMC2/SMC4复合物与染色体DNA的结合。进一步实验表明，磷酸化模拟突变体SMC2 T574D与SMC4的结合能力减弱，且与染色体DNA的结合能力也显著降低。

研究结论与意义

本研究首次揭示了前体rRNA作为染色体外周区的主要成分，通过形成物理屏障阻止AURKA异常接近染色体，从而保护SMC2免受AURKA介导的磷酸化修饰。在前体rRNA缺失的情况下，AURKA能够接近染色体并磷酸化SMC2的T574位点，破坏Condensin复合物的正常功能，最终导致染色体分离异常和有丝分裂灾难。

这一发现不仅深化了对前体rRNA非经典功能的理解，也为相关疾病的治疗提供了新思路。特别是在肿瘤治疗方面，常用的Pol I抑制剂（如Act D、CX5461等）可能通过诱导SMC2磷酸化而导致有丝分裂灾难，这为理解这些药物的抗肿瘤机制提供了新视角。同时，针对SMC2 T574磷酸化通路的干预可能成为新的肿瘤治疗策略。

此外，研究还发现前体rRNA缺失导致67种蛋白质从染色体上解离，这些蛋白质主要参与rRNA加工和核糖体生物发生，提示前体rRNA可能通过多种机制调控有丝分裂进程。这些发现为后续研究前体rRNA在有丝分裂中的多重功能奠定了基础。