撰文 | 十一月
有丝分裂过程中早期阶段的个体化以及细胞分裂结束后染色体聚集过程是确保真核细胞染色体有效分离的两个关键转变过程。这两个过程都是由表面活性剂样蛋白Ki-67所调控的，但是Ki-67是如何实现这些功能的仍然是未知的。
近日，德国欧洲分子生物学实验室Sara Cuylen-Haering研究组在Molecular Cell上发表了文章 A liquid-like coat mediates chromosome clustering during mitotic exit，发现Ki-67在人类细胞后期从染色体排斥剂到染色体引诱剂的转换分子机制。Ki-67会通过相分离与未成熟的核糖体RNAs在染色体上形成一个液体状外衣促进有丝分裂的退出过程中的染色体聚集，这主要是由Ki-67磷酸化状态的变化引起的。
细胞在分裂过程中会经历基因组重组，进入有丝分裂时，松散的染色质会紧密结合形成染色体，核膜破裂染色体进入细胞质，染色体的表面被一层复杂的蛋白质和核糖核酸所覆盖。最近的研究表明细胞增殖标记蛋白Ki-67是染色体表面的组织核心【1-2】。在有丝分裂早期，Ki-67从核仁重新定位到染色体表面，形成长为90nm的刷状结构。有丝分裂期结束后，Ki-67刷状结构崩溃。因此，Ki-67在有丝分裂进入和退出过程发挥着转换功能，但是具体的机制还尚不清楚。
Ki-67包含与液-液相分离相关的几个特征，包括结构无序、低复杂性区域以及多价性等等。最近的研究表明Ki-67体外重组蛋白能够发生液-液相分离，磷酸化修饰后的Ki-67相分离活性增强【3】。在细胞进入有丝分裂时，Ki-67会被磷酸化，Ki-67会在染色体表面形成一个液体类似的表层。
为了确认Ki-67在有丝分裂染色体聚集过程中的作用，作者们建立了有丝分裂停止在没有纺锤体的情况下触发有丝分裂退出的实验体系。首先使用 Nocodazole诱导有丝分裂停止，随后利用 CDK1激酶的急性抑制剂Flavopiridol促使细胞退出有丝分裂过程。作者们发现在加入Flavopiridol后Ki-67在染色体上的附着增加，这一过程在内源标记的Ki-67的细胞有丝分裂退出过程中也存在。
进一步地，作者们探究细胞中Ki-67在有丝分裂退出过程中染色体附着增加的原因，作者们对Ki-67 C末端的DNA结构域是否参与其中进行检测。作者们单独表达Ki-67的DNA结合结构域以及缺乏DNA结合结构域的Ki-67，作者们发现这两者均不能再现Ki-67敲除后染色体分散的表型。删除Ki-67 DNA结合结构域后的其动态性会显著增加。在有丝分裂退出过程中，Ki-67覆盖在染色体表面，具有液体类似的特征。
Ki-67在有丝分裂的早期过程中高度磷酸化，有丝分裂末期磷酸化则被逆转，这一过程可能是通过招募蛋白磷酸酶PP1实现的。为了检测Ki-67去磷酸后是否会促进在染色体上的聚集并影响其相分离特征，作者们构建了磷酸化模拟型的Ki-67，发现突变并不会影响Ki-67的表面活性剂功能，但是保持磷酸化会导致染色体聚集降低。因此，Ki-67去磷酸化在有丝分裂退出过程中驱动染色体聚集。
之后，作者们在Ki-67的N末端寻找到了调节染色体聚集的基本片段CP。之后作者们希望寻找CP区域驱动染色体聚集的机制。为此，作者们对CP区域的PP1结合位点以及多价态位点进行突变，发现PP1对Ki-67去磷酸化的确有贡献，高价态位点的突变也证实了Ki-67中的多价态位点在染色体聚集起着重要的驱动作用。
多价位点是如何介导Ki-67相分离的呢？先前的研究发现RNAs定位在染色体表面，为了验证RNAs在染色体聚集中的作用，作者们对新生RNAs以及Ki-67进行了同时成像，作者们发现Ki-67与新生RNAs在有丝分裂退出过程染色体上定位存在重叠，在Ki-67敲除的细胞中，RNA在有丝分裂中期结合到染色体上，在有丝分裂后期的增加显著降低，最后导致的RNA在胞质中形成大的点状聚集。这些结果说明，在细胞有丝分裂早期以及退出过程中，Ki-67招募RNAs到染色体表面。
为了寻找到RNA介导染色体聚集的分子机制，作者们对Ki-67与RNA相互作用在染色体聚集中的动态性进行检测。作者们发现Ki-67与RNA共同相分离，足以驱动有丝分裂退出过程中染色体的聚集。
图1 工作模型
总的来说，作者们的工作发现有丝分裂早期，磷酸化的Ki-67定位在染色体表面，通过类似于表面活性剂的机制保持染色体分散直到有丝分裂结束，之后Ki-67去磷酸化，伴随着RNA招募触发Ki-67从排斥态到凝聚态的转变，促进染色体聚集（图1）。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.07.022
制版人：十一
1. Booth, D.G., Takagi, M., Sanchez-Pulido, L., Petfalski, E., Vargiu, G., Samejima, K., Imamoto, N., Ponting, C.P., Tollervey, D., Earnshaw, W.C., and Vagnarelli, P. (2014). Ki-67 is a PP1-interacting protein that organises the mitotic chromosome periphery. eLife 3, e01641. https://doi.org/10.7554/eLife.01641.
2. Cuylen, S., Blaukopf, C., Politi, A.Z., Muller-Reichert, T., Neumann, B., Poser, I., Ellenberg, J., Hyman, A.A., and Gerlich, D.W. (2016). Ki-67 acts as a biological surfactant to disperse mitotic chromosomes. Nature 535, 308–312. https://doi.org/10.1038/nature18610
3. Yamazaki, H., Takagi, M., Kosako, H., Hirano, T., and Yoshimura, S.H. (2022). Cell cycle-specific phase separation regulated by protein charge blockiness. Nat. Cell Biol. 24, 625–632. https://doi.org/10.1038/s41556-022-00903-1.
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