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 研究方向

        细胞的有丝分裂是生长发育的重要基础。该过程容易出错,一个很小的错误就可能导致细胞染色体数目的异常,即非整倍体。非整倍体是大多数肿瘤细胞的重要特征,还可能促进癌变。同时,有丝分裂的错误也会造成DNA损伤和染色体结构异常,导致基因组的不稳定。而且,肿瘤的形成往往也是细胞分裂失控的结果,这使得有丝分裂本身成为抗癌的重要靶标。因此,对有丝分裂的研究,不仅有利于探明这一基本生命活动的规律,而且对于癌症等疾病的防治具有重要意义。

    本课题组致力于细胞周期的研究,特别是调控有丝分裂的分子机制,重点是相关蛋白激酶的功能及调节机制、组蛋白修饰对染色体时空动态的调节、着丝粒的结构与功能、姐妹染色体粘连及黏连蛋白复合体cohesin的功能与调节、有丝分裂的表观遗传调控、有丝分裂靶向的抗癌药物,以及有丝分裂缺陷导致的染色体不稳定性与癌症的关系。

    我们将瞄准细胞周期及有丝分裂研究的最前沿,与国内外同行紧密合作,通过对蛋白激酶生物学、染色体与着丝粒生物学,以及组蛋白密码等方向的深入研究,揭示有丝分裂的基本规律,为针对细胞分裂及其调控因子的抗癌药物研发和疾病诊断提供新的思路、靶标和技术。

 

研究进展

[2013/04]    汪方炜实验室Cell出版社旗下的Trends in Cell Biology杂志发表题为“Histone modifications and mitosis: countermarks, landmarks and bookmarks”的综述文章,总结和展望了组蛋白修饰在有丝分裂中的重要作用。汪方炜教授是第一作者和共同通讯作者

 

[2014/03] 汪方炜实验室欧洲分子生物学组织(EMBO)旗下的EMBO Reports杂志发表题为Polo-like kinase-1 triggers histone phosphorylation by Haspin in mitosis的研究论文,揭示蛋白激酶Cdk1Plk1HaspinAurora B等协同作用调控有丝分裂期组蛋白H3磷酸化的分子机制。硕士生周琳莉和田小影是共同第一作者,汪方炜教授是通讯作者。

 

 

 

[2017/03]  汪方炜实验室在国际权威学术期刊Current Biology发表题为“The N-Terminal Non-Kinase-Domain-Mediated Binding of Haspin to Pds5B Protects Centromeric Cohesion in Mitosis”的长文(Article)揭示姐妹染色体粘连调控的新机制。博士生周琳莉和梁材是共同第一作者,汪方炜教授是唯一通讯作者。

    黏连蛋白复合体(cohesin)维持姐妹染色单体配对,并促进染色体与纺锤体的正确连接。在有丝分裂的初期,染色体臂上的cohesin复合体在其调节亚基Wapl的作用下被大量地去除,而着丝粒区的cohesin必须得以保留才能防止染色体的错误分离。以往的研究显示,癌细胞的染色体不稳定性相当多数是由于着丝粒区姐妹染色体粘连缺陷造成的。

    汪方炜实验室研究发现,蛋白激酶Haspin通过位于氨基端非激酶域的一个保守基序与cohesin的亚基Pds5B直接结合;而且,HaspinPds5B的结合能竞争性地阻碍Wapl以类似的方式与Pds5B相结合。特异性地破坏HaspinPds5B的结合,会造成着姐妹染色体粘连的缺陷,使得染色体不能正常整列并提前分离;而抑制Wapl的活性或恢复着丝粒区HaspinPds5B的结合,则可以防止姐妹染色体粘连缺陷的发生。这些结果表明,Haspin通过结合Pds5B拮抗了Wapl对着丝粒区cohesin的去除,保证了姐妹染色单体的正常粘连和正确分离,从而保护了染色体的稳定性。

    此项研究不仅揭示了Haspin作为cohesin复合体调节亚基的新功能,而且解析了姐妹染色体粘连调控的新机制。这项研究成果有助于深入理解染色体粘连缺陷与染色体不稳定性之间的关系。


[2018/01] 201811日,汪方炜实验室在国际著名学术期刊EMBO Reports新年第一期发表了题为“A kinase-dependent role for Haspin in antagonizing Wapl and protecting mitotic centromere cohesion”研究论文阐述姐妹染色体粘连调控的重要机制。

正常人体细胞含有的46条染色体经过DNA复制变成46对姐妹染色单体,并在随后的有丝分裂期被均等地分配至两个子细胞,从而实现亲代与子代之间遗传物质的稳定传递。此过程受到细胞的严密调控,极细微的错误也可能导致子细胞染色体数目的异常,以及染色体的不稳定性和细胞的癌变。姐妹染色单体配对的建立和维系依赖于黏连蛋白复合体(cohesin)形成的环状结构。在细胞进入有丝分裂的早期,染色体臂上的cohesin在其调节亚基Wapl的作用下被大量去除,而着丝粒部位的cohesin必须予以保留,以确保所有的染色体均能与纺锤体正确连接并整齐地排列在中期赤道板上。汪方炜实验室的博士生梁材和陈亲富等发现,Haspin的激酶域对于姐妹染色体粘连具有重要保护作用。进一步的机理研究显示,一方面,Haspin的激酶域以较强的亲和力结合Wapl的重要基序PIM,从而竞争性地阻碍Pds5B结合WaplPIM;另一方面,Haspin磷酸化WaplPIM并直接削弱Wapl结合Pds5B的能力。通过这一双重机制,Haspin活性激酶域有效地抑制了WaplPds5B的结合,拮抗了Wapl对着丝粒区cohesin的去除作用,确保了姐妹染色体的正常粘连和分离,从而实现对染色体稳定性的保护。

这些研究结果鉴定了Haspin的新底物Wapl,以及Wapl磷酸化修饰调控黏连蛋白复合体环状结构的新通路,阐明了Haspin如何以少胜多有效抑制着丝粒区Wapl活性进而保护姐妹染色体粘连的分子机制。此项研究成果有助于深入理解癌细胞染色体不稳定性的发生原因,并启发基于肿瘤细胞染色体粘连缺陷的抗癌研究。

2015级研究生梁材和陈亲富为本文的共同第一作者,汪方炜教授是唯一通讯作者。此项研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金(优青和面上)、英国皇家学会牛顿高级学者基金资助。


[2018/02] 2018228日,汪方炜实验室在EMBO Reports在线发表题为HP1 links centromeric heterochromatin to centromere cohesion in mammals的研究论文,揭示了异染色质蛋白HP1参与保护姐妹染色体粘连和染色体稳定性的分子机制。博士生易琦和陈亲富为该文的第一作者,汪方炜教授是通讯作者。

染色体不稳定性是癌细胞的重要特征,并与肿瘤的发生和转移密切相关。有丝分裂期染色体异常分离既是染色体不稳定性的表现形式,也是导致染色体不稳定性的重要原因。染色体的精确分离依赖于其动粒(kinetochore)与纺锤体微管的正确连接,并在纺锤丝的牵引下完成姐妹染色体的分离并向细胞两极移动,从而实现遗传物质从亲代到子代细胞的稳定传递。动粒与微管正确连接的前提则是黏连蛋白复合体cohesin维系着丝粒(centromere)区姐妹染色体的正常粘连。着丝粒区染色体粘连的缺陷是癌细胞中染色体不稳定性的常见原因之一。

绝大多数真核生物的着丝粒由高度重复的DNA序列组成,并与数十种蛋白质相结合形成复杂的结构。着丝粒区染色体呈高度凝缩的异染色质化,并表现为组蛋白H39位赖氨酸(H3K9)甲基化和异染色质蛋白HP1的富集。与cohesin在染色体上的定位类似,动物细胞在进入有丝分裂时,大部分HP1从染色体臂上脱离,而着丝粒区的HP1得以保留。着丝粒区HP1对于姐妹染色体粘连的重要性及作用机制是亟需解决的重要问题。

哺乳动物的HP1包含HP1-alphaHP1-betaHP1-gamma三种亚型。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,汪方炜实验室在体外培养的人体细胞中实现了对HP1三种亚型的单独或两两组合敲除,进而发现HP1-alphaHP1-gamma对于着丝粒区染色体的粘连发挥着相互冗余的保护作用。通过在HP1-alphaHP1-gamma双敲除细胞中回补野生型或突变体HP1-alpha,易琦和陈亲富等证实HP1羧基端的结构域Chromoshadow domainCSD,而不是氨基端结构域Chromodomain与甲基化H3K9的结合,对于HP1保护染色体粘连是重要的。进一步的机理研究发现,HP1CSD与蛋白激酶Haspin氨基端的PxVxL基序相结合,促进Haspin在着丝粒区的定位,从而抑制cohesin负调节蛋白Wapl介导的粘连去除。这些实验结果揭示了着丝粒区异染色质对于姐妹染色体粘连的重要性,并阐明了异染色质蛋白HP1通过Haspin保护cohesin的分子机制。


[2018/07]  2018717日,汪方炜实验室在国际著名学术刊物《Cell Reports》发表题为WAC Promotes Polo-like Kinase 1 Activation for Timely Mitotic Entry的研究论文,揭示细胞周期的重要调控机制。汪方炜实验室的博士生戚菲菲是本文的第一作者,汪方炜教授为通讯作者。

细胞周期中各个时相的有序更迭和整个细胞周期的运行,需要引擎分子的驱动,即是在周期蛋白(Cyclin)依赖的蛋白激酶(Cyclin-dependent kinase, Cdk)统一调控下进行的。不同的Cyclin在细胞周期中表达的时期不同,并与不同的Cdk结合,形成不同种类的Cyclin-Cdk激酶复合物,调节不同的Cdk活性,从而驱动细胞周期的有序运行。细胞从分裂间期的G2期进入到分裂期(即G2/M期转换)依赖于Cyclin B1-Cdk1激酶复合物的活性。在G2的早期,与Cyclin B1结合的Cdk1Wee1Myt1激酶磷酸化,导致活性的抑制。只有当蛋白磷酸酶Cdc25去除Wee1Myt1Cdk1的磷酸化后,Cyclin B1-Cdk1才能被激活,进而促成G2/M期转换。Cdc25的活性则依赖于蛋白激酶Plk1对其的磷酸化。因此,G2Plk1的及时激活对于Cyclin B1-Cdk1活性的激发以及G2/M期的转换极其重要。然而,相关的分子机制目前并不清楚。

我们的研究发现,在细胞周期的G2期,通过结合Aurora-APlk1WAC蛋白促成Aurora-APlk1的磷酸化,进而激发细胞核内Plk1的活性,从而确保G2/M期的顺利转换和细胞的正常增殖。这项研究不仅鉴定了一个新的Plk1结合蛋白WAC揭示了其在激活Plk1中的重要作用,而且阐明了调控G2/M期转换的关键机制,对于深入理解细胞周期调控的分子机理,以及Cdk1Plk1靶向的抗癌药物研发具有重要意义。