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有丝分裂纺锤体中协同微管和动粒动力学的双稳态和振荡
摘要。在有丝分裂纺锤体中，微管在中期通过捕获键附着在动粒上，微管解聚力引起随机染色体振荡。我们研究了纺锤体模型中的协同随机微管动力学，该模型由一组平行微管组成，这些微管通过弹性接头附着在动粒上。我们包括微管的动态不稳定性以及弹性接头对微管和动粒的作用力。采用基于福克-普朗克方程的平均场方法，对外力作用于动粒的单侧模型进行分析求解。该解建立了微管集合的双稳态力-速度关系，与随机模拟一致。我们推导出双稳态的接头刚度和微管数的约束。单侧纺锤体模型的双稳态力-速度关系导致双侧模型中的振荡，这可以解释中期随机染色体振荡（方向不稳定性）。我们推导出中期染色体振荡的连接体刚度和微管数的约束。将极向微管通量纳入模型，我们可以解释实验观察到的极向通量速度高的细胞中染色体振荡的抑制。然而，在存在极向喷射力的情况下，染色体振荡持续存在，但幅度减小，姊妹动粒之间有相移。此外，极向喷射力是必要的，以使染色体在纺锤体赤道处对齐，并稳定两个动粒的交替振荡模式。最后，我们修改了模型，使得微管只能对动粒施加拉力，从而导致两个微管集合之间发生拉锯战。然后，到达动粒后诱发的微管灾难是刺激振荡的必要条件。该模型可以定量再现 PtK1 细胞中动粒振荡的实验结果。
使用CRISPR
染色体隔离需要在动型蛋白复合物和有丝分裂纺锤体之间进行协调，这对于两个子细胞之间的遗传分裂至关重要。动力学是一种蛋白质复合物，位于姐妹染色单体的丝粒上。在有丝分裂过程中，观察到的动物学实际上将姐妹染色质朝着用有丝分裂纺锤体的指南伸向细胞的相反两极。有人提出，stu1是一种小动物络合物中的小蛋白，有助于延迟酿酒酵母的萌芽酵母中的后期，直到每个染色体都附着在有丝分裂的纺锤体上。也有人建议Stu1与纺锤体相互作用，并在拉长时同步移动。已经提出，磷酸化可以调节Stu1的功能，并且熔体是其他动力学蛋白中已知的磷酸化位点，因此，在称为sTu1上的称为熔融基序的磷酸化位点上除去苏氨酸氨基酸在Stu1上的磷酸化位点可能会影响姐妹染色体的能力，这可能会导致姐姐的正确性，这可能会使YEAST YEAST降低。熔体是真菌中保存良好的序列，是其他动力学蛋白中的已知磷酸化位点，是STU1的同源物。利用CRISPR-CAS9酶，我们将在发芽的酵母菌Stu1基因中引入磷酸无效突变，以用熔体序列替代苏氨酸719密码子。到目前为止，我们已经成功克隆了含有引导RNA和Cas9酶基因的质粒。我们假设该突变将在Stu1中产生故障，这可能会阻碍其协调纺锤体和动孔附着的能力，并在有丝分裂过程中完全防止染色体分离。下一步将是用质粒和我们的模板DNA转化酵母，该模板DNA代码在Stu1中的719密码子上编码Valine，这种组合将完全激活酵母中的CRISPR CAS CAS 9基因组编辑系统。
利用 CRISPR 技术进行磷酸化无效突变，消除酿酒酵母动粒复合体蛋白 Stu1 上的磷酸化位点
染色体分离需要动粒蛋白复合物和有丝分裂纺锤体的协调，这对于两个子细胞之间的准确遗传分裂至关重要。动粒是一种位于姊妹染色单体着丝粒的蛋白复合物。在有丝分裂过程中，可以观察到动粒实际上是在有丝分裂纺锤体的引导下将姊妹染色单体“引导”到伸长细胞的相反极点。有人提出，动粒复合物中的小蛋白 Stu1 有助于延迟芽殖酵母酿酒酵母的后期，直到每条染色体都附着在有丝分裂纺锤体上。Stu1 与纺锤体相互作用，并在纺锤体伸长时与其同步移动。磷酸化可能在调节 Stu1 功能方面发挥重要作用。在酵母中，MELT 是一种常见的磷酸化位点，因此，去除 Stu1 上 MELT 基序上的苏氨酸氨基酸可能会影响姐妹染色单体正确分离的能力，从而导致酵母活力下降。MELT 是真菌中保存良好的序列，并且已知是 Stu1 其他同源物中的磷酸化位点。利用 CRISPR-Cas9 酶，我们将在芽殖酵母 STU1 基因中引入磷酸化无效突变，以将 MELT 序列中的苏氨酸 719 密码子替换为缬氨酸密码子。我们假设这种突变会导致 Stu1 蛋白发生故障，这可能会阻碍其协调纺锤体和着丝粒附着的能力，并进一步阻止有丝分裂期间染色体分离。
2024 AP生物学学生样本和评论-FRQ 1
在此位置。在第一个实验中，他们检查了三组含有修饰染色体的酵母细胞。第1组不包含连接到热点的动力学蛋白，第2组包含附着在热点附着的KineTochore蛋白CTF，第3组包含附着在热点上的动力学蛋白IML。对于每组，科学家确定了RFP和GFP基因之间的跨越频率。为了确定频率，科学家将发出红光和绿光的细胞数量添加到没有发光并除以细胞总数的细胞数量（图2）。
植物着丝粒的结构、功能和进化
着丝粒是真核染色体的重要区域，负责形成着丝粒复合体，在细胞分裂过程中与纺锤体微管连接。值得注意的是，尽管着丝粒在染色体分离中保持保守功能，但其底层 DNA 序列在物种内和物种间都存在差异，并且主要是重复性的。着丝粒的重复内容包括高拷贝串联重复序列（卫星）和/或特定的转座子家族。着丝粒的功能区域由特定组蛋白 3 变体 (CENH3) 的加载定义，该变体使着丝粒成核并显示动态调节。在许多植物中，着丝粒由卫星重复阵列组成，这些阵列的 DNA 甲基化程度高，并被嗜着丝粒的逆转录转座子侵入。在某些情况下，逆转录转座子成为 CENH3 加载的位点。我们回顾了植物着丝粒的结构，包括单着丝粒、全着丝粒和元多着丝粒结构，这些结构在染色体上着丝粒附着位点的数量和分布上有所不同。我们讨论了 CENH3 负荷的变化如何在植物胚胎发生早期细胞分裂过程中驱动基因组消除。我们回顾了表观遗传状态如何影响着丝粒身份，并讨论了试图解释跨物种观察到的着丝粒序列快速变化的进化模型，包括重组的潜在作用。我们概述了可能在着丝粒内起作用的假定选择模式，以及重复序列在驱动着丝粒进化周期中的作用。虽然我们的主要重点是植物基因组，但我们将其与动物和真菌着丝粒进行了比较，以得出着丝粒结构和功能的真核生物范围的视角。
植物着丝粒的结构、功能和进化
着丝粒是真核染色体的重要区域，负责形成着丝粒复合体，在细胞分裂过程中与纺锤体微管连接。值得注意的是，尽管着丝粒在染色体分离中保持保守功能，但其底层 DNA 序列在物种内和物种间都存在差异，并且主要是重复性的。着丝粒的重复内容包括高拷贝串联重复序列（卫星）和/或特定的转座子家族。着丝粒的功能区域由特定组蛋白 3 变体 (CENH3) 的加载定义，该变体使着丝粒成核并显示动态调节。在许多植物中，着丝粒由卫星重复阵列组成，这些阵列的 DNA 甲基化程度高，并被嗜着丝粒的逆转录转座子侵入。在某些情况下，逆转录转座子成为 CENH3 加载的位点。我们回顾了植物着丝粒的结构，包括单着丝粒、全着丝粒和元多着丝粒结构，这些结构在染色体上着丝粒附着位点的数量和分布上有所不同。我们讨论了 CENH3 负荷的变化如何在植物胚胎发生早期细胞分裂过程中驱动基因组消除。我们回顾了表观遗传状态如何影响着丝粒身份，并讨论了试图解释跨物种观察到的着丝粒序列快速变化的进化模型，包括重组的潜在作用。我们概述了可能在着丝粒内起作用的假定选择模式，以及重复序列在驱动着丝粒进化周期中的作用。虽然我们的主要重点是植物基因组，但我们将其与动物和真菌着丝粒进行了比较，以得出着丝粒结构和功能的真核生物范围的视角。
PICH 通过其 DNA 转位酶和 SUMO 相互作用活动影响纺锤体组装检查点
抑制或稳定有丝分裂中的 SUMO 化都会导致染色体分离缺陷，这表明蛋白质的动态有丝分裂 SUMO 化对于维持基因组的完整性至关重要。Polo 样激酶 1 - 相互作用检查点解旋酶 (PICH) 是一种有丝分裂染色质重塑酶，它通过三个 SUMO 相互作用基序 (SIM) 与 SUMO 化的染色体蛋白相互作用，以控制它们与染色体的结合。使用条件性 PICH 耗竭/PICH 替换的细胞系，我们发现有丝分裂缺陷与 PICH 对 SUMO 化染色体蛋白的功能受损有关。PICH 的重塑活性或 SIM 缺陷会延迟有丝分裂进程，这是由纺锤体组装检查点 (SAC) 激活引起的，这由着丝粒处 Mad1 焦点的持续时间延长所表明。通过对染色体 SUMO 化蛋白（其丰度受 PICH 活性控制）进行蛋白质组学分析，确定了可解释 SAC 激活表型的候选蛋白。在已确定的候选蛋白中，PICH 缺失时 Bub1 着丝粒丰度会增加。我们的研究结果证明了 PICH 和 SAC 之间的新关系，其中 PICH 直接或间接影响着丝粒上的 Bub1 关联，并影响 SAC 活性以控制有丝分裂。
TD 2（DNA复制和特性传递）
- 在 ................................. 前期，核膜碎裂成碎片 - 在 ................................. 中期，纺锤体有丝分裂的赤道板形成 - 在 ................................. 中期，染色单体分离形成两组子染色体 - DNA 合成的时期称为 S 期 - 纺锤体有丝分裂由微管组成，微管是亚基微管蛋白的聚合物 - 染色体迁移是通过纺锤体微管与与每个染色体的着丝粒相关的结构结合实现的：着丝粒
表观遗传丝粒身份是通过DNA复制来确切地维持的，但在人类细胞之间被指定
通过组蛋白变体CENP-A的存在来定义并保持表观遗传学的定义和维持。尚不完全了解如何指定中心质体CENP-A位置并通过DNA复制确切地保持。 最近发布的端粒到核（T2T）基因组组件包含第一个完整的人类丝粒序列，为检查CENP-A位置提供了新的资源。 在多个细胞分裂之后，在同一细胞系列的克隆中映射CENP-A位置到T2T组装中高度相似的CENP-A位置。 相比之下，在不同人类细胞系的几个centromeres上表现出丝粒CENP-A上乳束，这证明了CENP-A富集的位置和人类细胞之间的KineTochore re裂位点不同。 在整个细胞周期中，通过DNA复制保持了其精确的位置，沉积在G1相中的CENP-A分子。 因此，尽管在DNA复制过程中CENP-A稀释，但CENP-A仍将CENP-A精确地重新加载到子丝粒内的相同序列上，从而在人类细胞中保持独特的丝粒身份。如何指定中心质体CENP-A位置并通过DNA复制确切地保持。最近发布的端粒到核（T2T）基因组组件包含第一个完整的人类丝粒序列，为检查CENP-A位置提供了新的资源。在多个细胞分裂之后，在同一细胞系列的克隆中映射CENP-A位置到T2T组装中高度相似的CENP-A位置。相比之下，在不同人类细胞系的几个centromeres上表现出丝粒CENP-A上乳束，这证明了CENP-A富集的位置和人类细胞之间的KineTochore re裂位点不同。在整个细胞周期中，通过DNA复制保持了其精确的位置，沉积在G1相中的CENP-A分子。因此，尽管在DNA复制过程中CENP-A稀释，但CENP-A仍将CENP-A精确地重新加载到子丝粒内的相同序列上，从而在人类细胞中保持独特的丝粒身份。
现代人类的大脑发育中期比尼安德特人更长，染色体分离错误更少
自从现代人的祖先与尼安德特人的祖先分离以来，大约 100 种氨基酸替换传给了几乎所有现代人。这些变化的生物学意义在很大程度上是未知的。在这里，我们研究了三种蛋白质中的所有六种氨基酸替换，这三种蛋白质已知在动粒功能和染色体分离中起关键作用，并在发育中的新皮质的干细胞中高度表达。当我们将这些现代人类特异性替换引入小鼠时，其中两种蛋白质 KIF18a 和 KNL1 中的三种替换会导致中期延长，并减少发育中皮质顶端祖细胞的染色体分离错误。相反，祖先替换会导致人类脑器官中的中期长度更短和染色体分离错误更多，与我们在黑猩猩脑器官中发现的情况类似。这些结果表明，现代人类与尼安德特人分化后，大脑皮层发育过程中染色体分离的保真度得到了提高。