在大多數(shù)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(fù)合體的正常功能。其中，著絲粒的遺傳復(fù)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(zhì)中；之后，在發(fā)生DNA復(fù)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(diào)則導(dǎo)致一系列有絲分裂錯誤和癌癥等疾病的產(chǎn)生。但是，對于這一極為關(guān)鍵的分子與細胞過程，在S期內(nèi)調(diào)控CENPA維持以及確保其在DNA復(fù)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(fù)雜疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。近年來，越來越多的證據(jù)表明m⁶A修飾也存在于非編碼RNA，特別是染色質(zhì)結(jié)合的一些RNA（chromatin-associated RNAs，caRNAs）上，并介導(dǎo)新的功能，例如調(diào)控染色質(zhì)狀態(tài)和基因轉(zhuǎn)錄等^【2】。此前研究也發(fā)現(xiàn)著絲粒區(qū)域可以轉(zhuǎn)錄出著絲粒重復(fù)序列RNA（centromeric RNA，cenRNA），這些cenRNA似乎參與調(diào)控著絲粒穩(wěn)態(tài)和細胞周期進程，但其關(guān)鍵機制仍不明確^【3】。

2024年9月20日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)核糖核酸北京研究中心劉君課題組與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)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(jīng)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(jié)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(guān)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(guān)系的破壞極大增強了腫瘤細胞對著絲粒相關(guān)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(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)cenRNA在大多數(shù)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(dǎo)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(diào)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(dǎo)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(dǎo)S期著絲粒區(qū)域內(nèi)CENPA穩(wěn)定性的機制，研究者通過細胞內(nèi)CENPA的RIP-seq數(shù)據(jù)分析及一系列體外實驗，證實CENPA更傾向于與m⁶A修飾的cenRNA結(jié)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(guān)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(jié)合偏好性在細胞內(nèi)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(nèi)CENPA的維持

鑒于CENPA對染色體著絲粒功能中的關(guān)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(jié)果顯示，去除cenRNA上的m⁶A修飾或突變CENPA均會導(dǎo)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(guān)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(diào)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(fù)序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)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(diào)控癌細胞中著絲粒完整性。這提出了RNA表觀轉(zhuǎn)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(diào)控提供了新的機制。破壞這一機制會導(dǎo)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(jù)。

劉君與楊雪瑞為本文共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士研究生康自紅與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生李瑞萌為本文共同第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授李晴，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究員王歡，中國科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)研究所研究員張亮，南京大學(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)基金委、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院及核糖核酸北京研究中心、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院及生物信息學(xué)教育部重點實驗室等機構(gòu)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(xué)