動(dòng)粒電暈的結(jié)構(gòu)終于揭曉

在母細(xì)胞的細(xì)胞分裂過(guò)程中，必須首先復(fù)制攜帶人類(lèi)基因組的 23 條染色體，然后再將其傳遞給兩個(gè)新形成的子細(xì)胞。至少在健康細(xì)胞中，結(jié)果令人驚訝地完美無(wú)缺，并且沒(méi)有任何染色體丟失。在惡性細(xì)胞中并非如此，猖獗的染色體分離錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生持續(xù)不斷的新遺傳變異，這些變異支持轉(zhuǎn)移性生長(zhǎng)和對(duì)化療的抵抗力。稱(chēng)為動(dòng)粒的多層蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)執(zhí)行染色體遞送程序。在高度跨學(xué)科的合作巡回演出中，馬克斯普朗克分子生理學(xué)研究所的 Andrea Musacchio 和 Stefan Raunser 小組研究了這種結(jié)構(gòu)的最外層，即動(dòng)粒電暈。在單粒子低溫電子顯微鏡和蛋白質(zhì)重組的幫助下，他們揭示了日冕主要構(gòu)件 RZZ 復(fù)合物的結(jié)構(gòu)組織，并破譯了日冕組裝的機(jī)制。他們的結(jié)果闡明了世代相傳的基因組遺傳的分子基礎(chǔ)。

細(xì)胞分裂構(gòu)建了我們的身體，為我們的組織和器官中的所有細(xì)胞提供能量，從皮膚到腸道，從血液到大腦。它不僅可以讓這些器官生長(zhǎng)，還可以在需要時(shí)用新鮮細(xì)胞再生。細(xì)胞分裂始于染色體的復(fù)制，染色體是人類(lèi)基因組 30 億個(gè)核苷酸的載體。然后復(fù)制的染色體在稱(chēng)為有絲分裂的過(guò)程中分配給子細(xì)胞。在有絲分裂期間，稱(chēng)為有絲分裂紡錘體的線狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最初捕獲染色體。在高度精心設(shè)計(jì)的過(guò)程中將它們定位后，紡錘體以相反的方向分離染色體，因此當(dāng)兩個(gè)細(xì)胞從一個(gè)細(xì)胞中形成時(shí)，每個(gè)細(xì)胞都繼承了基因組的精確副本。即使是這個(gè)過(guò)程中最小的錯(cuò)誤也會(huì)產(chǎn)生可怕的生理后果。

多層次的挑戰(zhàn)

動(dòng)粒是染色體與紡錘體的接觸點(diǎn)，因此在染色體排列和分割過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。它是一種復(fù)雜的多層蛋白質(zhì)復(fù)合物。“理解動(dòng)粒是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冇蓭讓咏M成，每一層都由許多相互作用的構(gòu)建塊組成，”Musacchio 說(shuō)。“最外層，即日冕，保留了動(dòng)粒的一些最有趣的秘密。它的組裝特別有趣，因?yàn)閺?fù)合體的壽命很短，在染色體對(duì)齊和分離的關(guān)鍵步驟之前就結(jié)束了。”

在之前的一系列研究中，Musacchio 的實(shí)驗(yàn)室對(duì)動(dòng)粒不同層的結(jié)構(gòu)和功能以及它們?nèi)绾螌⑷旧w連接到微管進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。為了獲得這些知識(shí)，該小組采用了一種稱(chēng)為生化重組的還原論方法。他們?cè)谠嚬苤挟a(chǎn)生了細(xì)胞外蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)組成部分。然后，他們將它們一塊一塊地重新組裝，形成一個(gè)幾乎完整的動(dòng)粒，他們可以在一個(gè)受控和簡(jiǎn)化的環(huán)境中單獨(dú)研究，與極其復(fù)雜、嗡嗡作響的細(xì)胞內(nèi)部形成鮮明對(duì)比。

采用相同的策略，由兩名博士后 Tobias Raisch 和 Giuseppe Ciossani 組成的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，兩名博士。學(xué)生、Ennio d'Amico 和 Verena Cmentowski 以及其他同事現(xiàn)在已經(jīng)能夠重建動(dòng)粒電暈。他們表明，只有兩種成分就足夠了：ROD-Zwilch-ZW10 (RZZ) 蛋白復(fù)合物和 Spindly 蛋白，它在動(dòng)粒與微管的相互作用中起重要作用。日冕只聚集在動(dòng)粒上，限制其生長(zhǎng)到這些結(jié)構(gòu)的機(jī)制仍然是一個(gè)關(guān)鍵的未解決問(wèn)題。通過(guò)在體外重建該過(guò)程，科學(xué)家們能夠鑒定出一種酶，即激酶 MPS1，作為在動(dòng)粒處 RZZ 電暈組裝的基本催化劑。

離王冠更近一步

自 1960 年代以來(lái)，電子顯微鏡 (EM) 一直伴隨著對(duì)動(dòng)粒的研究，但直到最近，新興的方法學(xué)發(fā)展才使這項(xiàng)技術(shù)能夠在原子尺度上可視化構(gòu)建塊。“2017 年，我們通過(guò) cryo-EM 生成了第一個(gè) RZZ 復(fù)合體的 3D 結(jié)構(gòu)模型，”Raunser 說(shuō)。“然而，在這個(gè)初始模型的 1 nm 分辨率下，不可能觀察到負(fù)責(zé)生物功能的最精細(xì)的分子細(xì)節(jié)。”

新的結(jié)構(gòu)分析將分辨率提高到出現(xiàn)原子細(xì)節(jié)的程度，最終解釋了 RZZ 組件與其自身以及與 Spindly 的相互作用如何促進(jìn)電暈組裝成圍繞著動(dòng)粒的大聚合物。Musacchio 總結(jié)道：“我們的工作為之前對(duì)動(dòng)粒電暈的一系列研究奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)在為我們提供了一個(gè)框架來(lái)理解細(xì)胞分裂的關(guān)鍵時(shí)刻，即當(dāng)染色體與微管的附著變得基本上不可逆時(shí)”。該團(tuán)隊(duì)未來(lái)的研究將嘗試將日冕整合到重組的動(dòng)粒中，朝著體外重建染色體分離邁出新的重要一步，這是一個(gè)非凡的目標(biāo)，將闡明生命最基本的過(guò)程。

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