2025年9月4日，國際權(quán)威期刊《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）發(fā)表一項(xiàng)里程碑式研究——“DNA methylation influences human centromere posIT(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)ioning and function”。該研究通過一項(xiàng)堪稱“表觀遺傳外科手術(shù)”的精密實(shí)驗(yàn)，首次以因果關(guān)系證明：DNA甲基化（DNA methylation）不僅是中心粒（centromere）的“守護(hù)者”，更是其功能邊界與穩(wěn)定性的“終極定義者”。

 

挑戰(zhàn)禁區(qū)：為“不可編輯”的中心粒打造一把“分子手術(shù)刀”

中心粒是染色體在細(xì)胞分裂時(shí)精確分離的“指揮中心”，其功能依賴于一種特殊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)——由CENP-A核小體標(biāo)記的區(qū)域。然而，人類中心粒由長達(dá)數(shù)百萬堿基的α-衛(wèi)星DNA（alpha-satellite DNA）高度重復(fù)序列構(gòu)成，傳統(tǒng)基因編輯技術(shù)在此“失靈”：既無法精準(zhǔn)定位，又難以區(qū)分單個(gè)重復(fù)單元。

 

更棘手的是，DNA甲基化由DNMT酶系統(tǒng)全局調(diào)控，若敲除這些酶，將引發(fā)全基因組范圍的甲基化紊亂，無法區(qū)分中心粒特異性效應(yīng)。

 

為此，研究團(tuán)隊(duì)匠心獨(dú)運(yùn)，設(shè)計(jì)出一套名為 DBD-TET1-AID 的“分子手術(shù)刀”，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心粒甲基化的時(shí)空精準(zhǔn)操控：

 

GPS導(dǎo)航：CENP-B蛋白的“精準(zhǔn)?？?rdquo;

 

利用CENP-B蛋白能特異性識(shí)別α-衛(wèi)星DNA上“CENP-B盒”（17bp序列）的特性，研究人員截取其DNA結(jié)合域（DBD） 作為“導(dǎo)航頭”，確保工具(http://www.weberwork.com/sell/l_5/)只在中心粒區(qū)域“著陸”。

功能模塊：TET1的“去甲基化橡皮擦”

 

連接TET1酶的催化結(jié)構(gòu)域（TET1CD），可將5-甲基胞嘧啶（5mC）氧化為5-羥甲基胞嘧啶（5hmC），啟動(dòng)主動(dòng)去甲基化，如同“擦除”甲基標(biāo)記。

精密開關(guān)：時(shí)間與劑量的雙重控制

四環(huán)素誘導(dǎo)系統(tǒng)（DOX）：控制工具蛋白的表達(dá)“啟動(dòng)”；

生長素誘導(dǎo)降解標(biāo)簽（AID）：加入植物激素IAA后，蛋白被迅速清除，實(shí)現(xiàn)“即時(shí)關(guān)閉”。

這套系統(tǒng)如同一把可遙控的“分子手術(shù)刀”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中心粒甲基化的局部、可逆、動(dòng)態(tài)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)顯示，處理16天后，中心粒區(qū)域甲基化水平從近100%降至約25%，并檢測到5hmC的動(dòng)態(tài)積累，證實(shí)了主動(dòng)去甲基化過程的成功。

 

指揮中心失序：甲基化“圍墻”坍塌，CENP-A“越界擴(kuò)張”

當(dāng)DNA甲基化這道“分子圍墻”被“擦除”后，中心粒迅速陷入混亂：

 

CENP-B結(jié)合增強(qiáng)8倍

 

微量熱泳動(dòng)實(shí)驗(yàn)（MST）顯示，CENP-B與未甲基化DNA的親和力是甲基化DNA的8倍。細(xì)胞內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，去甲基化后CENP-B在中心粒的富集顯著增加。

CENP-A“失控”積累

 

更驚人的是，中心粒的“身份標(biāo)識(shí)”——CENP-A蛋白水平在8天內(nèi)上升約40%，且在細(xì)胞周期各階段均持續(xù)積累。

為驗(yàn)證因果性，研究人員反向構(gòu)建“甲基化筆”（DBD-MQ1），可在中心粒特異性添加甲基化。結(jié)果與“擦除”實(shí)驗(yàn)完全相反：CENP-A和CENP-B水平雙雙下降。

 

“一擦就增，一寫就減”，確立了DNA甲基化對(duì)中心粒蛋白定位的直接因果調(diào)控作用。

 

邊界消失：中心粒“版圖”被重繪

CENP-A的增加，是“堆得更高”，還是“占地更廣”？

 

通過前沿技術(shù)DiMeLo-seq（可單分子解析CENP-A與甲基化共定位），研究人員繪制出高分辨率“中心粒地圖”：

 

正常細(xì)胞：CENP-A嚴(yán)格局限于中心粒核心的低甲基化區(qū)域（CDR），兩側(cè)被高甲基化的“異染色質(zhì)圍墻”包圍；

去甲基化后：甲基化“圍墻”崩塌，CENP-A不僅在核心區(qū)增強(qiáng)，更向兩側(cè)原本致密的區(qū)域“蔓延”，邊界徹底模糊。

進(jìn)一步通過Fiber-seq檢測染色質(zhì)可及性，發(fā)現(xiàn)去甲基化后，中心粒區(qū)域染色質(zhì)顯著“松散化”，而致密標(biāo)記H3K9me3短期內(nèi)未變，表明DNA甲基化本身即是維持染色質(zhì)壓縮的關(guān)鍵物理屏障。

 

災(zāi)難性后果：從結(jié)構(gòu)紊亂到基因組崩塌

分子層面的失序迅速演變?yōu)榧?xì)胞層面的“生存危機(jī)”：

 

細(xì)胞活力驟降

 

集落形成實(shí)驗(yàn)顯示，去甲基化細(xì)胞的存活率最低僅為對(duì)照組的10%，且去甲基化速度越快，毒性越強(qiáng)。

染色體分離災(zāi)難

微核率飆升：從5%升至近20%；

活細(xì)胞成像：有絲分裂延長，出現(xiàn)大量“落后染色體”和“染色體橋”；

單細(xì)胞全基因組測序：證實(shí)細(xì)胞群體出現(xiàn)嚴(yán)重非整倍性，且染色體斷裂多發(fā)生在中心粒鄰近區(qū)域。