有丝分裂期染色体分离过程中的细胞动力学的分子机制解析

有丝分裂期染色体分离过程中的细胞动力学的分子机制解析

论文摘要

在整个细胞周期中,有丝分裂期是最为壮观同时也最具潜在威胁的一个阶段。有丝分裂中每一个编排的错误都可能导致非整倍体的产生以及基因组不稳定性,并最终引起细胞死亡或者肿瘤发生。因此,研究有丝分裂进程中染色体运动可塑性以及动态性的有机协调过程就显得尤为重要。借助于生物光子学以及化学生物学研究手段,我探讨了真核生物有丝分裂过程中染色体准确分离的分子调控机制。有丝分裂过程中染色体的分离是由纺锤体微管与着丝粒之间动态的相互作用所介导的,而蛋白激酶与磷酸酶的信号级联通路在其中起着掌控作用。有大量证据表明蛋白激酶PLK1在有丝分裂进入时被激活,并在有丝分裂各个阶段发挥着不可缺少的作用。然而,我们对PLK1激酶活性在进入有丝分裂后的时空调节的分子机制,以及PLK1在有丝分裂过程中的动态可塑性等方面的了解还很不全面。我们建立了基于荧光共振能量转移的PLK1活性光学探针,以期描绘PLK1激酶活性在整个有丝分裂期的时空动力学特征。我的实验结果显示在有丝分裂的前期及前中期动点上的PLK1激酶活性较高,随着中期染色体双极定向的建立,PLK1的活性开始下降。PLK1活性的下降与动点之间张力的建立成存在时间序列性。利用针对有丝分裂激酶的小分子抑制剂,我的研究进一步揭示了Aurora B在维持与协调动点上PLK1激酶活性过程中的作用。为此,我的研究首次揭示了Aurora B-PLK1激酶调节轴在动点张力及染色体动力学调控中的潜在机制。在对PLK1在有丝分裂期的动态可塑性的进一步研究中,我们发现PLK1与蛋白磷酸酶hCdc14A之间存在相互作用。通过体外实验,我们揭示hCdc14A的磷酸酶活性受其分子内相互作用的抑制性调节。而PLK1通过结合并磷酸化修饰hCdc14A,部分解离了hCdc14A的分子内相互作用从而起到激活hCdc14A磷酸酶活性的作用。更重要的是,过量表达hCdc14A的模拟磷酸化突变体引起染色体排列异常以及有丝分裂前中期的阻断。这一现象暗示着PLK1对hCdc14A的动态调节在协调有丝分裂各个事件序列性中至关重要。在细胞分裂过程中,染色体的准确分裂直接关乎父代的基因组能否忠实可靠的传递到子代细胞中。在有丝分裂后期,当securin被anaphase-promoting complex降解之后,由separase介导的对染色体之间cohesion的不可逆的切割最终实现了染色体的分离。然而,之前的报道认为separase在有丝分裂期定位于中心体,这就使得在有丝分裂起始时separase如何有效的对姐妹染色体之间的cohesion进行切割成为一个问题。利用一种新的separase抗体,我们发现separase在有丝分裂期的表达量增加,并在有丝分裂末期被降解。利用该抗体进行免疫荧光染色时,我们惊奇的发现从有丝分裂前期至中期separase都分布在染色体上,在有丝分裂后期染色体分离之后separase的染色体定位随即消失。对分离出来的染色体进行染色更是发现separase在着丝粒处有富集现象。为了进一步探讨介导separase染色体定位的机制以及有丝分裂激酶在其中可能的调控作用,我们利用RNAi抑制了几种有丝分裂激酶的表达,结果发现separase的染色体定位可能受到Aurora B的调控。同时,在经过针对Aurora B激酶活性的小分子抑制剂hesperadin处理的细胞中,separase的染色体定位也几乎消失。这些结果暗示Aurora B的激酶活性在协调separase染色体定位及姐妹染色单体分离的过程中发挥着作用。作为着丝粒处cohesion的保护神,Sgol协同PP2A一起防止了姐妹染色单体在有丝分裂后期起始之前的提前分离。另外它在感受动点之间张力以及维持动点一微管连接的稳定性等方面的功能也屡有报道。在体外Sgol能被anaphase-promotingcomplex泛素化。然而调控Sgol在有丝分裂中期向后期转变时从动点上解离下来的机制目前还不清楚。我们的研究发现Sgol在有丝分裂过程中被蛋白酶水解,随后我们证明了在体外Sgol是钙依赖的蛋白水解酶m-calpain的底物。进一步在细胞水平的实验表明,人为升高有丝分裂期细胞内钙离子浓度导致Sgol从动点上解离,而如果在此过程中利用E64d抑制calpain的活性则能维持Sgol的动点定位。结合之前报道的钙离子浓度在有丝分裂后期起始时升高,我们认为,m-calpain通过水解Sgol参与了有丝分裂中期向后期转变的过程。总而言之,在本文中我们探讨了在有丝分裂期PLK1激酶活性的时空调节及其本身的动态可塑性;揭示了separase的染色体定位并对其机制进行了解析;提出了mcalpain水解Sgol这一调控有丝分裂中期向后期转变的新机制。这些成果为我们明确了未来研究的方向,并对我们全面了解有丝分裂过程中染色体分离的分子机制提供了帮助。

论文目录

  • 目录
  • 缩略词表
  • 中文摘要
  • 英文摘要
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 有丝分裂过程中的细胞动力学研究现状及意义
  • 1.2.1 有丝分裂的基本过程
  • 1.2.2 生物光子学探针在细胞动力学研究中的应用
  • 1.2.3 化学小分子在有丝分裂研究中的应用
  • 1.3 Polo蛋白激酶在有丝分裂过程中的功能
  • 1.3.1 Polo蛋白激酶促使细胞进入有丝分裂
  • 1.3.2 Polo蛋白激酶参与了纺锤体的形成以及纺锤体检验点
  • 1.3.3 Polo蛋白激酶在有丝分裂退出及胞质分裂中的作用
  • 1.3.4 有丝分裂过程中对Polo蛋白激酶活性的调节
  • 1.4 有丝分裂中期向后期转变的分子机制
  • 1.4.1 纺锤体检验点
  • 1.4.2 蛋白水解酶Separase促进姐妹染色单体分离
  • 1.4.3 染色体臂的分离以及Sgol对着丝粒黏连的保护机制
  • 1.4.4 有丝分裂过程中对Sgol的调控
  • 1.4.5 钙离子动力学在有丝分裂过程中的调节功能
  • 第二章 材料与方法
  • 2.1 实验材料
  • 2.1.1 载体
  • 2.1.2 质粒
  • 2.1.3 细胞株
  • 2.1.4 试剂
  • 2.2 实验方法
  • 第三章 实验结果
  • 3.1 蛋白激酶PLK1在有丝分裂过程中的动力学及其可塑性解析
  • 3.1.1 利用生物光子学策略解析有丝分裂过程中PLK1激酶活性的动力学特征
  • 3.1.1.1 基于荧光共振能量转移的PLK1探针的构建
  • 3.1.1.2 PLK1激酶及其活性在有丝分裂过程中的时空调节
  • 3.1.1.3 动点之间的张力对PLK1激酶活性的调节作用
  • 3.1.1.4 Aurora B在维持PLK1激酶活性过程中的作用
  • 3.1.2 蛋白激酶PLK1对hCdc14A在有丝分裂进程中的功能调控机制解析
  • 3.1.2.1 hCdc14A的分子内相互作用抑制其磷酸酶活性
  • 3.1.2.2 hCdc14A是PLK1的一个结合蛋白
  • 3.1.2.3 hCdc14A与PLK1共定位于有丝分裂期的中心体
  • 3.1.2.4 PLK1通过磷酸化hCdc14A部分解除其分子内相互作用
  • 3.1.2.5 PLK1的磷酸化修饰激活了hCdc14A的磷酸酶活性
  • 3.1.2.6 hCdc14A磷酸化动态性是染色体行进的调节要素
  • 3.2 有丝分裂中期向后期转变过程中的调节机制解析
  • 3.2.1 钙依赖的蛋白水解酶Calpain对中期向后期转变的调控机制
  • 3.2.1.1 Sgol在有丝分裂后期与末期被降解
  • 3.2.1.2 Sgol是一个新发现的Calpain底物
  • 3.2.1.3 Sgol在进入有丝分裂后期时被切割
  • 3.2.1.4 Calpain调控Sgol在动点的定位机制
  • 3.2.2 Separase的染色体定位及其调控机制浅析
  • 3.2.2.1 一种新的Separase抗体
  • 3.2.2.2 细胞周期过程中Separase定位的动力学特征
  • 3.2.2.3 验证Separase在有丝分裂过程中染色体定位的特异性
  • 3.2.2.4 染色体定位的Separase参与了姐妹染色体臂的分离
  • 3.2.2.5 蛋白激酶Aurora B参与了Separase向染色体募集的过程
  • 第四章 结果讨论以及研究展望
  • 4.1 结果讨论
  • 4.1.1 有丝分裂过程中Aurora家族协同调节PLK1激酶活性
  • 4.1.2 PLK1-hCdc14A调节通路在有丝分裂退出过程中的作用浅析
  • 4.1.3 有丝分裂期Separase的时空调节的新模型
  • 4.1.4 Calpain协同Separase参与了姐妹染色单体分离
  • 4.1.5 有丝分裂后期调控姐妹染色单体分离的模型
  • 4.2 细胞动力学在有丝分裂研究中的前景展望
  • 4.2.1 超高分辨率显微镜技术及荧光探针的运用
  • 4.2.2 有丝分裂的化学生物学研究及其在癌症治疗中的应用前景
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
  • 相关论文文献

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