2021年12月9日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張傳茂教授實(shí)驗(yàn)室在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為“NuMA regulates mitotic spindle assembly, structural dynamics and function via phase separation”的工作。該項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)紡錘體裝配因子NuMA在有絲分裂期通過(guò)液－液相分離凝集到紡錘體極上，并將微管解聚蛋白Kif2A隔離到紡錘體極的區(qū)域進(jìn)行有效的微管解聚，從而調(diào)控紡錘體的長(zhǎng)度和動(dòng)態(tài)性，這一過(guò)程受到了有絲分裂期激酶Aurora A的磷酸化調(diào)控。

紡錘體是真核生物細(xì)胞中重要的臨時(shí)細(xì)胞器，調(diào)控了姐妹染色單體的分離和細(xì)胞分裂的方向。紡錘體是高度動(dòng)態(tài)的，微管時(shí)刻處于增長(zhǎng)和縮短的變化當(dāng)中。當(dāng)紡錘體的動(dòng)態(tài)性被破壞，通常導(dǎo)致遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定，基因組的不穩(wěn)定性與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)。許多微管結(jié)合蛋白都參與了紡錘體動(dòng)態(tài)性的調(diào)控，其中微管解聚蛋白Kinesin-13家族的成員發(fā)揮了重要的作用。Kif2A是Kinesin-13家族具有代表性的成員，通過(guò)解聚紡錘體極上的微管調(diào)控了紡錘體微管的流動(dòng)性以及染色體的列隊(duì)和分離。紡錘體的高度動(dòng)態(tài)變化使得紡錘體的裝配與調(diào)控過(guò)程成為細(xì)胞周期研究中的難點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程的分子機(jī)制仍有許多是未知。

近年來(lái)，由相分離形成的無(wú)膜細(xì)胞器的研究為紡錘體的調(diào)控提出了一個(gè)新的方向。這些被單獨(dú)分割的區(qū)域可以進(jìn)行不同的生化反應(yīng)或執(zhí)行不同的功能，如應(yīng)激顆粒、轉(zhuǎn)錄共激活因子、核仁等。由相分離形成的生物凝集體，也可能會(huì)經(jīng)歷由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體或固體的“相變”過(guò)程。生物凝集體擁有獨(dú)特的理化性質(zhì)，在基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、微管成核等方面發(fā)揮重要功能。

NuMA作為重要的微管結(jié)合蛋白，在紡錘體的裝配和組織中發(fā)揮了重要的功能。在本項(xiàng)工作中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)NuMA調(diào)控了紡錘體的長(zhǎng)度和動(dòng)態(tài)性。NuMA蛋白的缺失導(dǎo)致了紡錘體長(zhǎng)度明顯增加，并且能夠回補(bǔ)抑制Aurora A激酶造成的紡錘體變短的現(xiàn)象。光激活實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NuMA的缺失導(dǎo)致微管流動(dòng)速率減慢，這可能是造成紡錘體長(zhǎng)度增加的原因。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，NuMA在有絲分裂期經(jīng)歷液－液相分離的過(guò)程。間期NuMA在核內(nèi)與DNA結(jié)合，呈現(xiàn)相對(duì)均勻的分布。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂期，核膜崩解，NuMA形成小的凝集體，這些凝集體融合形成大的凝集體并沿著微管迅速移動(dòng)到紡錘體極。通過(guò)形態(tài)觀察、融合分裂、光漂白恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明胞質(zhì)及紡錘體極上的NuMA凝集體具有液體性質(zhì)。進(jìn)一步的體內(nèi)活細(xì)胞實(shí)驗(yàn)以及體外相分離實(shí)驗(yàn)，證明NuMA的C端結(jié)構(gòu)域主要負(fù)責(zé)有絲分裂期的相分離。接下來(lái)的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)表明，Aurora A在有絲分裂期對(duì)于NuMA的磷酸化可以減弱其相分離的能力并促進(jìn)其流動(dòng)性。這使得NuMA在紡錘體極上的凝集也處于可調(diào)控的動(dòng)態(tài)交換過(guò)程中，控制了NuMA皮層定位的水平，從而調(diào)控了紡錘體定向。

圖1. NuMA的C端結(jié)構(gòu)域在體內(nèi)和體外均發(fā)生相分離

之后的功能研究發(fā)現(xiàn)，NuMA在紡錘體極上的凝集調(diào)控了Kif2A在紡錘體上的空間定位，將Kif2A隔離到紡錘體極上，對(duì)紡錘體極上的微管進(jìn)行解聚，從而調(diào)控了微管動(dòng)態(tài)性，紡錘體長(zhǎng)度以及染色體分離。NuMA在前中期形成液滴并凝集到紡錘體極的現(xiàn)象，也促進(jìn)了非中心體依賴(lài)形成的微管向中心體依賴(lài)形成的微管移動(dòng)和捕捉的過(guò)程。

綜上所述，該項(xiàng)工作以NuMA蛋白為研究切入點(diǎn)，闡明了NuMA調(diào)控紡錘體長(zhǎng)度和動(dòng)態(tài)性的具體機(jī)制，為理解紡錘體的組裝和動(dòng)態(tài)調(diào)控的潛在機(jī)制提供了重要信息。

圖2. NuMA通過(guò)相分離調(diào)控紡錘體長(zhǎng)度和動(dòng)態(tài)性的分子機(jī)制示意圖

張傳茂教授為本論文的通訊作者，張傳茂實(shí)驗(yàn)室博士研究生孫夢(mèng)杰為本論文第一作者，實(shí)驗(yàn)室多位老師對(duì)此項(xiàng)工作作出了貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目受到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部的項(xiàng)目資助。

信息來(lái)源： 生命科學(xué)學(xué)院，北京大學(xué)新聞網(wǎng)