在大多數真核生物細胞有絲分裂過程中，精確的染色體分離依賴于著絲粒-動粒復合體的正常功能。其中，著絲粒的遺傳復制依賴于CENPA核小體的傳遞。具體來說，在細胞周期的G1早期，新生CENPA沉積于染色質中；之后，在發(fā)生DNA復制的S期，舊的CENPA被分配于DNA子鏈和母鏈上，核小體的空缺由組蛋白H3.3填補。在這一動態(tài)過程中，CENPA核小體表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，提示細胞中存在嚴密的CENPA維持機制，而其失調則導致一系列有絲分裂錯誤和癌癥等疾病的產生。但是，對于這一極為關鍵的分子與細胞過程，在S期內調控CENPA維持以及確保其在DNA復制過程中表觀遺傳信息忠實傳遞的機制仍不清楚^【1】。

RNA m⁶A修飾（N ⁶-甲基腺嘌呤）已被廣泛報道幾乎參與mRNA生命周期的所有階段，與一系列復雜疾病的發(fā)生發(fā)展相關。近年來，越來越多的證據表明m⁶A修飾也存在于非編碼RNA，特別是染色質結合的一些RNA（chromatin-associated RNAs，caRNAs）上，并介導新的功能，例如調控染色質狀態(tài)和基因轉錄等^【2】。此前研究也發(fā)現(xiàn)著絲粒區(qū)域可以轉錄出著絲粒重復序列RNA（centromeric RNA，cenRNA），這些cenRNA似乎參與調控著絲粒穩(wěn)態(tài)和細胞周期進程，但其關鍵機制仍不明確^【3】。

2024年9月20日，北京大學生命科學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、北京大學核糖核酸北京研究中心劉君課題組與清華大學生命科學學院楊雪瑞課題組合作，在Cell發(fā)表了題為“m⁶A-modified cenRNA stabilizes CENPA to ensure centromere integrity in cancer cells”的研究論文。該研究首次揭示，腫瘤細胞中的cenRNA存在高頻的m⁶A修飾，而經典的著絲粒特異性組蛋白CENPA可作為著絲粒區(qū)域m⁶A修飾的“閱讀器”，特異性結合具有m⁶A修飾的cenRNA。與甲基化cenRNA的這一互作對穩(wěn)定CENPA在S期著絲粒區(qū)域的維持至關重要，保證了著絲粒區(qū)域和基因組的穩(wěn)定性及染色體的正確分離。對這一互作關系的破壞極大增強了腫瘤細胞對著絲粒相關藥物的敏感性，為未來的靶向治療策略提供了新的思路。

論文截圖

具體來說，研究團隊通過整合分析不同細胞類型caRNA的m⁶A修飾高通量測序（MeRIP-seq）數據集，發(fā)現(xiàn)cenRNA在大多數癌細胞中展現(xiàn)出顯著升高的m⁶A修飾水平。為了進一步探究cenRNA m⁶A修飾的功能，研究者使用了靶向去甲基化工具CRISPR-dCas13b-FTO系統(tǒng)。特異性擦除cenRNA上的m⁶A修飾導致了著絲粒丟失、異位、斷裂等異常事件的增加，表明cenRNA m⁶A修飾參與維持著絲粒區(qū)域的穩(wěn)定性。為了探究cenRNA上的m⁶A修飾如何調控著絲粒完整性，研究者通過SNAP-tag TMR-STAR實驗，發(fā)現(xiàn)去除cenRNA上的m⁶A修飾會導致S期CENPA在著絲粒的維持明顯受損，而G1時期CENPA的裝載幾乎不受影響。

為了探究cenRNA上的m⁶A修飾介導S期著絲粒區(qū)域內CENPA穩(wěn)定性的機制，研究者通過細胞內CENPA的RIP-seq數據分析及一系列體外實驗，證實CENPA更傾向于與m⁶A修飾的cenRNA結合。通過分子模擬及體外實驗，研究者進一步確定了CENPA蛋白中兩個關鍵位點，負責識別甲基化的cenRNA。突變這兩個位點后，CENPA對m⁶A-cenRNA的結合偏好性在細胞內顯著下降，同時伴隨著CENPA在S期著絲粒穩(wěn)定性的減弱（圖1）。

圖1 m⁶A-cenRNA穩(wěn)定S期著絲粒區(qū)域內CENPA的維持

鑒于CENPA對染色體著絲粒功能中的關鍵作用，研究者進一步評估了CENPA與甲基化cenRNA的互作對著絲粒穩(wěn)態(tài)及癌癥細胞生長的影響。結果顯示，去除cenRNA上的m⁶A修飾或突變CENPA均會導致著絲粒不穩(wěn)定，染色體分離異常，細胞生長減緩，并使腫瘤細胞對著絲粒相關藥物的敏感性增強。值得注意的是，這種現(xiàn)象在正常細胞中并未觀察到，進一步支持了靶向CENPA-m⁶A-cenRNA作為癌癥治療策略的可行性（圖2）。

圖2 CENPA-m⁶A-cenRNA調控著絲粒穩(wěn)態(tài)和腫瘤耐藥性

綜上，此項研究首次發(fā)現(xiàn)著絲粒區(qū)域的重復序列轉錄產物cenRNA擁有特異的m⁶A 修飾“閱讀器”，CENPA。CENPA在傳統(tǒng)上被認為是著絲粒特異性組蛋白。本研究發(fā)現(xiàn)CENPA通過與m⁶A-cenRNA的互作，在RNA表觀遺傳層面直接調控癌細胞中著絲粒完整性。這提出了RNA表觀轉錄參與核小體功能及表觀遺傳信息傳遞的新視角，為深入理解著絲粒形成、維持與調控提供了新的機制。破壞這一機制會導致癌細胞染色體分離異常和基因組不穩(wěn)定，抑制癌細胞生長及增強其對著絲粒干擾劑的敏感性，為癌癥治療開發(fā)新的靶向策略提供了重要依據。

劉君與楊雪瑞為本文共同通訊作者。北京大學前沿交叉學科研究院博士研究生康自紅與清華大學生命科學學院博士研究生李瑞萌為本文共同第一作者。北京大學生命科學學院教授李晴，北京大學化學與分子工程學院研究員王歡，中國科學院杭州醫(yī)學研究所研究員張亮，南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院主任王雷，北醫(yī)三院副研究員司文喆為本工作提供了重要支持和貢獻。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、北大-清華生命科學聯(lián)合中心、北京大學生命科學學院及核糖核酸北京研究中心、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、清華大學生命科學學院及生物信息學教育部重點實驗室等機構的支持。

參考文獻

1. Ramachandran, S., and Henikoff, S. (2015). Replicating nucleosomes. Sci Adv ?1 , 1500587. 10.1126/sciadv.1500587.

2. Liu, J., Dou, X., Chen, C., Chen, C., Liu, C., Xu, M.M., Zhao, S., Shen, B., Gao, Y., Han, D., and He, C. (2020). ?N ⁶-methyladenosine of chromosome-associated regulatory RNA regulates chromatin state and transcription. Science ?367 , 580—586. 10.1126/science.aay6018.

3. Ling, Y.H., and Yuen, K.W.Y. (2019). Point centromere activity requires an optimal level of centromeric noncoding RNA. Proc Natl Acad Sci USA ?116 , 6270—6279. 10.1073/pnas.1821384116.

來源：北京大學