DNA甲基化调控人类着丝粒定位与功能的分子机制研究

本研究针对着丝粒表观遗传特性维持的关键科学问题，通过开发靶向DNA去甲基化工具DBDTET1AID系统，揭示了DNA甲基化(DNAme)通过调控CENP-A核小体定位和CENP-B结合来定义着丝粒功能域边界的重要机制。研究发现快速去甲基化会导致染色体错误分离和基因组不稳定，而渐进式去甲基化则能使细胞适应新的表观状态，为理解ICF综合征和癌症中着丝粒异常提供了新视角。论文发表于《Nature Genetics》。

　　

在细胞分裂过程中，着丝粒作为染色体分离的"指挥中心"，其精确定位和功能维持对基因组稳定性至关重要。然而，这个由重复序列构成的特殊区域如何建立并维持其表观遗传特性，一直是科学家们探索的谜题。人类着丝粒区域富含α-卫星DNA重复序列，这些序列通常呈现高度甲基化状态，但在活性着丝粒区域却存在一个独特的低甲基化区域——着丝粒凹陷区(CDR)。这种DNA甲基化(DNAme)模式与着丝粒特异性组蛋白变体CENP-A的分布密切相关，但其功能意义尚不清楚。更令人困惑的是，在ICF综合征（一种以着丝粒异染色质不稳定性为特征的遗传病）和多种癌症中，着丝粒区域的DNA甲基化异常往往伴随着严重的染色体不稳定现象。这些临床观察暗示DNA甲基化可能是着丝粒功能调控的关键表观遗传标记，但其具体作用机制仍有待阐明。

为回答这些问题，Catalina Salinas-Luypaert等研究人员在《Nature Genetics》发表了创新性研究成果。研究团队开发了一套精密的分子工具，包括可诱导的着丝粒靶向DNA去甲基化系统DBD^TET1AID和甲基化系统DBD^MQ1AID，结合DiMeLo-seq（DNA甲基化长读长测序）、Fiber-seq（染色质纤维测序）和超分辨率显微镜等前沿技术，系统研究了DNA甲基化对着丝粒结构和功能的影响。

研究首先证实了着丝粒靶向去甲基化的可行性。通过将TET1催化结构域与CENP-B的DNA结合域融合，研究人员成功实现了着丝粒特异性DNA去甲基化。纳米孔测序数据显示，这种处理能显著降低α-卫星重复序列和CENP-B框（CENP-B box）的甲基化水平，而对其他基因组区域影响较小。值得注意的是，DNA去甲基化过程伴随着5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)的短暂积累，这是TET酶活性作用的直接证据。

在"DNAme定义CENP-A边界并调控CENP-B结合"部分，研究揭示了DNA甲基化的关键调控作用。体外实验显示CENP-B对非甲基化CENP-B框的亲和力比甲基化形式高8倍。细胞实验进一步证实，随着着丝粒去甲基化，CENP-B和CENP-A在着丝粒的富集程度显著增加。通过DiMeLo-seq技术，研究人员在单分子水平观察到CENP-A核小体从CDR向外扩展的现象，同时染色质可及性增加，但异染色质标记H3K9me3水平保持稳定。这些发现表明DNA甲基化是限制CENP-A分布的重要表观遗传屏障。

"着丝粒DNA低甲基化导致非整倍性"部分展示了表观遗传紊乱的严重后果。急性着丝粒去甲基化引起明显的细胞生长抑制和有丝分裂延迟，伴随微核形成率增加。单细胞基因组测序揭示这些细胞出现以着丝粒区域为主的拷贝数变异。超分辨率显微镜显示去甲基化导致着丝粒结构异常，表现为CENP-A亚结构域数量增加和双分区结构的破坏。这些数据共同证明DNA甲基化紊乱会严重影响着丝粒功能和基因组稳定性。

研究还发现CENP-B的异常积累是基因组不稳定的重要介质。通过构建CENP-B敲除细胞系，研究人员证实去除CENP-B能部分缓解去甲基化引起的细胞毒性。相反，过表达CENP-B会诱发DNA损伤反应标志物γH2A.X在着丝粒区域的积累。这些结果支持DNA甲基化通过限制CENP-B过度结合来维持着丝粒稳定的新机制。

在"长期渐进去甲基化诱导细胞适应"部分，研究展示了表观遗传可塑性的一面。与急性去甲基化不同，渐进式处理允许细胞适应新的低甲基化状态，着丝粒蛋白水平稳定在新的平衡点。研究人员还建立了ICF4综合征（HELLS基因突变）细胞模型，发现这些细胞虽然存在着丝粒低甲基化，但仍能维持相对稳定的增殖能力，为理解ICF患者的临床表型提供了新线索。

这项研究系统阐明了DNA甲基化在着丝粒功能调控中的核心作用：首先，DNA甲基化通过限制CENP-B结合和调控染色质可及性，精确划定CENP-A核小体的分布边界；其次，这种表观遗传屏障的破坏会导致着丝粒结构紊乱和基因组不稳定；最后，细胞具有适应渐进性表观遗传改变的能力。这些发现不仅深化了对着丝粒表观遗传调控的理解，也为ICF综合征和癌症等着丝粒相关疾病的机制研究提供了新视角。特别值得注意的是，研究开发的着丝粒靶向表观遗传编辑工具为后续功能研究提供了强大技术支撑，而发现的细胞表观遗传适应机制可能具有更广泛的生物学意义。