Only Perception: 染色體「中節」以外遺傳方式遺傳

2011-11-10

染色體「中節」以外遺傳方式遺傳

Chromosome centromeres are inherited epigenetically
http://www.physorg.com/news/2011-11-chromosome-centromeres-inherited-epigenetically.html

November 3, 2011

※ 譯註：很容易混淆的名詞：centrosome（中心體）、centriole（中心粒、中心小體）、centromere（中節、著絲粒）、kinetochore（著絲點、動粒、動原體），可參考下面圖解：

中節為基因組（基因體）的特化區域，在顯微鏡下可認出那是 X 型染色體當中的主縊痕（primary constriction）。在細胞分裂期間附著到中節的細胞骨架（cell skeleton，即 cytoskeleton），使染色體分散至二個子代細胞。在絕大多數生物體中，中節的位置並非由 DNA 序列所決定。來自（德國） Freiburg，Max Planck 免疫生物學與外遺傳學研究所的科學家已成功證明，中節的位置、功能以及遺傳是由組織蛋白（histone） CenH3 所決定，那是一種包裹 DNA 的蛋白質。這項發現或有助於人工人類染色體更進一步的發展，那在醫療中可用於基因治療。

中節為一種蛋白質複合體，為著絲點（kinetochore，動粒），提供了一個發展平台。在細胞分裂期間，著絲點為細胞骨架提供一個附著點並使染色體朝細胞相對的二極移動。在絕大多數生物體中，中節的位址並非由 DNA 建構基石的順序（即 DNA 序列）所決定，而是外遺傳。此規則的唯一例外是單細胞真菌 -- 麵包酵母菌（baker's yeast），在其中有段特殊的 DNA 序列為中節位置的「編碼」。

至於這種外遺傳中節標記，最有希望的候選者是 H3 組織蛋白的一種變種，稱為 CenH3。組織蛋白與 DNA 的結合，大部分獨立於其下的序列且幫助包裹長絲狀的 DNA 分子。在各種生物體中，CenH3 只出現在中節所在的 DNA 區域。Max Planck 免疫生物學與外遺傳學研究所的 Patrick Heun 研究小組以及來自慕尼黑 Helmholtz 研究中心的同僚，現在發現僅 CenH3 就足以觸發中節形成。

為了他們的實驗，研究者使 CenH3 組織蛋白裝配一個以人工方式附加的 DNA 結合域，使該蛋白能與一處通常不會形成中節的 DNA 區域結合。現在，一個起作用的著絲點在這裡出現，且在細胞分裂期間與細胞骨架互動。利用這種方法，研究者在細胞分裂期間，成功使人造迷你染色體在二個子代細胞間散佈。此蛋白能獨立招募額外的 CenH3 蛋白。"這確保每次細胞分裂後，中節那邊有足夠的 CenH3。否則，可用的 CenH3 蛋白數量將在每次細胞分裂後減半。透過這種方式，中節的位置可以被一代傳一代，" Heun 說。

從「麵包酵母中認 DNA 的中節（其位置無法改變）」跨越到「由蛋白質所定義的中節位置（其改變較易）」，也許在演化中扮演某種角色。儘管中節的大小多達數百萬個 DNA 建構基石，它仍可「跳躍」至其他位置而不會導致 DNA 移動。因此，在罕見例子中，即使中節已出現在一種密切相關的猿類物種中，一個新的中節仍可出現。所以，新中節也許對於新物種的浮現有所貢獻。

在中節確認中，對於 CenH3 之中心角色的洞見，或能證明對醫學也很重要。科學家會想開發人工人類染色體，取代使用病毒的基因療法。"如同其天然的相對物，這些（人工染色體）需要一個中節以進行細胞分裂。到目前為止，仍無法有效地控制一個中節的形成，" Heun 表示。

※ 相關報導：

＊ Drosophila CENH3 Is Sufficient for Centromere Formation
http://www.sciencemag.org/content/334/6056/686.abstract

Maria Jose Mendiburo, Jan Padeken, Stefanie Fulop,
Aloys Schepers, Patrick Heun
Science 4 November 2011: Vol. 334 no. 6056 pp. 686-690
doi: 10.1126/science.1206880

CENH3 is a centromere-specific histone H3 variant essential for kinetochore assembly. Despite its central role in centromere function, there has been no conclusive evidence supporting CENH3 as sufficient to determine centromere identity. To address this question, we artificially targeted Drosophila CENH3 (CENP-A/CID) as a CID-GFP-LacI fusion protein to stably integrated lac operator (lacO) arrays. This ectopic CID focus assembles a functional kinetochore and directs incorporation of CID molecules without the LacI-anchor, providing evidence for the self-propagation of the epigenetic mark. CID-GFP-LacI–bound extrachromosomal lacO plasmids can assemble kinetochore proteins and bind microtubules, resulting in their stable transmission for several cell generations even after eliminating CID-GFP-LacI. We conclude that CID is both necessary and sufficient to serve as an epigenetic centromere mark and nucleate heritable centromere function.