mrna结构和真核细胞共同点（中心体mRNA调控有丝分裂的精确进程）

责编 | 酶美

中心体（centrosome） 是一类无膜包围的细胞器，存在于大多数的动物细胞中。中心体作为主要的微管装配中心，在纺锤体组装，细胞周期进程，细胞极性决定等过程中发挥关键作用。此外，中心体在细胞分化期间可以转化为纤毛 （cilia）或鞭毛（flagella）并在雄性生殖细胞发育和细胞运动过程中发挥重要作用。中心体功能障碍与多种疾病相关，例如中心体异常复制能够引起染色体的分裂异常，并导致恶性肿瘤的发生， 此外中心体功能异常还能导致侏儒症以及心血管疾病。

典型的中心体结构含有一对正交排列的中心粒，被大量的中心粒周围物质（pericentriolar material， PCM）包围。传统观念认为中心粒周围物质主要由大量的无定形蛋白质构成，近年来发现中心粒周围物质中含有大量的RNA，其中包括编码中心体相关蛋白的mRNA。然而，对于这些mRNA如何定位至中心体以及其主要的功能并不清楚。

近日，J.Cell.Biol在线发表Emory大学Lerit实验室的研究成果：centrocortin RNA localization to centrosomes is regulated by FMRP and facilitates error-free mitosis（共同第一作者：Pearl V. Ryder和房俊男）。文章报道了在果蝇胚胎中，多种中心体组成蛋白的mRNA定位至中心体的不同区域，其中centrocortin （cen）mRNA在中心体上富集程度及形式随细胞周期进程而动态变化。进一步研究发现cen mRNA 在中心体定位及翻译受到RNA结合蛋白FMRP的调控，且cen mRNA在中心体的过量富集或缺失都会破坏有丝分裂过程，提示cen mRNA 在中心体的定位受到了严格调控且对于有丝分裂的精确进程发挥重要作用。

作者首先利用单分子荧光原位杂交（smFISH）技术和基于Python语言开发的自动定量方法，对6种编码中心体蛋白的mRNA的定位进行了研究，即centrocortin (cen), pericentrin-like protein (plp), small ovary (sov), bsg25D, pins 和cycB，该实验以gapdh作为对照。研究结果表明，相对于对照gapdh mRNA, 上述六种mRNA在中心体处均有不同程度的富集，并且在细胞分裂间期（interphase）聚集水平更高，这一结果提示上述mRNA在中心体的定位是一个动态过程并且可能调控细胞周期进程。前人研究表明cen基因表达对于果蝇胚胎发育过程调控细胞分裂，因此文章重点研究cen mRNA在中心体定位的特点和功能。

为了研究cen mRNA在中心体定位的动态变化，作者收集了不同发育时期的果蝇胚胎（NC10 或NC13细胞分裂间期或者核分裂期）进行smFISH分析，研究结果表明在NC10期, cen mRNA以单个RNA分子或以相对较小的颗粒存在，然而在NC13期大量cen mRNA聚集形成大的颗粒（granules）且富集程度相对于NC10显著提高，这一结果提示cen mRNA 随胚胎发育进程不断聚集形成大的mRNA颗粒并可能具有生物学功能。

RNA结合蛋白在RNA颗粒的形成与功能发挥关键作用，本文对几种可能影响cen mRNA颗粒形成的RNA结合蛋白进行了免疫荧光定位观察，发现FMRP蛋白存在于中心体处，免疫共沉淀实验进一步证实了FMRP与cen mRNA形成复合物。FMRP蛋白（fragile X mental retardation protein）由fmr1基因调控表达，该蛋白功能缺陷会导致遗传性的智力缺陷。本文研究发现在fmr1缺失的果蝇胚胎中，cen mRNA在中心体上富集程度提高，cen蛋白表达水平提高，追踪细胞分裂过程结果显示fmr1缺失后引起纺锤体装配异常，中心体数量异常并且胚胎孵化率降低，而在fmr1缺失的胚胎中敲除一半cen可以恢复（rescue）上述表型，提示cen mRNA在中心体的水平对中心体的功能非常重要。

为了进一步研究cen mRNA在中心体的水平对其功能的重要性，作者对cen mRNA进行基因改造：作者将bicoid的3’UTR与cen mRNA的编码区域融合后(cen-bcd3’UTR)，使cen mRNA特异性定位至胚胎的前端。运用这一体系研究了cen mRNA的过量表达或完全敲除对于中心体在细胞分裂过程中的作用。发现无论是在胚胎前端的cen mRNA过量表达还是在胚胎中心区的cen mRNA缺失都严重破坏了有丝分裂过程，如纺锤体装配呈现异常，中心体与纺锤体连接异常等表型。这一模型进一步证明了cen mRNA在中心体的水平对其功能具有重要作用。

图：果蝇胚胎早期中心体结构示意图。早期果蝇胚胎（0-2 hr，NC14前）为合胞体，所有细胞均无细胞膜包裹，细胞分裂过程仅有细胞核分裂而没有胞质分裂。每一次细胞分裂，中心体复制一次。每一个中心体含有一对正交排列的中心粒，被大量的中心粒周围物质（pericentriolar material， PCM）包围。

综上所述，本文研究表明多种表达中心体蛋白的mRNA定位在中心体且这一定位随细胞周期进程而动态变化，其中cen mRNA在中心体定位以及表达水平对细胞分裂精确进行发挥重要作用，且这一过程受到RNA结合蛋白FMRP的调节。

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https://doi.org/10.1083/jcb.202004101