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摘要
着丝粒组蛋白H3变体CENP-A在许多癌症中过度表达。CENP-A在非着丝粒区域的错误定位导致染色体不稳定(CIN),这是癌症的一个标志。然而,促进或防止CENP-A错误定位的途径仍然不明确。在这里,作者对CENP-A定位的调节因子进行了全基因组的RNAi筛选,发现DNAJC9,一个与组蛋白H3-H4蛋白折叠有关的J结构域蛋白,是限制CENP-A错定位的一个因素。缺乏DNAJC9的细胞在整个基因组中表现出CENP-A的错误定位和CIN表型。全局相互作用组分析显示,DNAJC9缺失促进了CENP-A与DNA复制相关的组蛋白伴侣MCM2相互作用。DNAJC9耗竭导致的CENP-A错定位依赖于MCM2,因此当H3-H4供应链中断时,MCM2是导致CENP-A在异位位点沉积的驱动因素。组蛋白H3.3缺失的细胞也表现出CENP-A错定位。总之,作者已经定义了防止CENP-A错定位的新因素,并证明了由组蛋白伴侣如DNAJC9调节的H3-H4供应链的完整性限制了CENP-A错定位和CIN。
正文
着丝粒是一个特殊的基因组区域,它在细胞分裂过程中指导染色体的稳定传递。着丝粒染色质完整性或着丝粒结构的缺陷可通过错误的染色体分离导致染色体不稳定性(CIN),从而驱动非整倍体,这是癌症和发育障碍的复发性特征。组蛋白H3变体CENP-A(出芽酵母中的Cse4,裂变酵母中的Cnp1,果蝇中的CID)定义着丝粒染色质,是建立着丝粒组装和着丝粒-微管附着的关键成分之一。
限制CENP-A在着丝粒染色质上的定位对染色体的稳定性至关重要。CENP-A对于着丝粒的募集与典型组蛋白H3装载到染色质是分离的,涉及多种调节机制。例如,专用伴侣HJURP通过与Mis18复合体的相互作用,在终末期/ G1早期将CENP-A沉积在着丝粒上,Mis18复合体由PLK1和CDK1/2动态调节。在DNA复制过程中,先前存在的CENP-A的再循环及其在着丝粒上由HJURP重新装载与解旋酶MCM2一起发生。转录水平的调控精确地控制了CENP-A的表达,以确保在G2时达到最大水平,最近的研究表明,在细胞周期依赖的CENP-A蛋白水平调控中,CENP-A的特定翻译后修饰(PTMs),如ser68的磷酸化和Lys49和Lys124的泛素化。
CENP-A (Cse4、Cnp1和CID)在非着丝粒区域的错误定位,有助于出芽酵母、裂变酵母和苍蝇的CIN。此前,作者在HeLa、RPE1和DLD1人类细胞系中检测了CENP-A错定位的后果,并首次提供证据表明,过表达的CENP-A错定位通过削弱天然着丝粒的完整性而导致CIN。此外,作者报道过表达DLD1的CENP-A细胞表现出更高的侵袭性和非整倍性,并具有核型异质性。过表达的CENP-A的错定位可以通过消耗H3.3-H4伴侣DAXX来防止,这降低了癌细胞的侵袭性并挽救了CIN表型。另一种H3.3-H4伴侣HIRA的缺失导致CENP-A在结直肠癌和宫颈癌细胞系以及出芽酵母。在p53缺陷的情况下,用电离辐射和DNA损伤剂处理过表达CENP-A的癌细胞具有增殖优势。在功能性p53存在的情况下,CENP-A过表达会对电离辐射产生敏感性。这些发现具有直接的临床相关性,因为据报道,CENP-A在各种癌症类型中过表达,包括前列腺癌、卵巢癌、肺癌、乳腺癌和胃癌,并且其过表达与预后不良、疾病分期、基因组不稳定性和对治疗干预的反应改变相关。最近的证据还表明,CENP-A亚核定位的改变可预测头颈部鳞状细胞癌的治疗反应。因此,确定促进或阻止CENP-A错定位到非着丝粒区域的因素可能有助于CENP-A过表达癌症的预后和治疗。尽管了解了CENP-A错定位对CIN的影响,但作者缺乏对促进或防止CENP-A错定位的途径的全面分析。
作者最近描述了一种基于图像的分析,使用YFP标记的CENP-A作为报告基因来量化间期细胞中核CENP-A的水平。通过该实验和521个编码染色质修饰因子的基因的RNAi筛选,作者发现了H3.1/2伴侣CHAF1B在防止CENP-A和CIN错定位中的新作用。在这里,作者报告了在全基因组RNAi筛选中使用相同的测定,以产生第一个全面鉴定防止人类细胞中CENP-A错定位的因素。筛选发现DNAJC9 (DnaJ同源物,C亚家族,成员9)是正确定位CENP-A的关键调节因子。DNAJC9是含J结构域热休克蛋白HSP40家族的成员,最近被发现是组蛋白H3.1/2/3-H4复合体的合作伙伴。HSP40蛋白的J结构域结合并刺激HSP70分子伴侣的ATP酶活性,从而调节多种蛋白质的正确折叠。在本研究中,作者发现了DNAJC9在预防CENP-A错定位和CIN方面迄今未被研究的作用。缺失DNAJC9的细胞显示出染色质中CENP-A的富集,CENP-A错定位到非着丝粒区域,以及CIN表型。通过对DNAJC9缺失细胞中CENP-A的相互作用组分析,作者发现MCM2是最重要的相互作用因子,进一步的研究表明,MCM2导致了DNAJC9缺失细胞中CENP-A的错定位。总的来说,作者的研究定义了新的CENP-A定位调控因子,并强调了H3-H4伴侣蛋白在限制CENP-A定位和CIN中的多方面作用。
结果
全基因组RNAi筛选确定改变核CENP-A水平的因素
一些研究已经建立了细胞核CENP-A水平升高与CENP-A错定位到非着丝粒区域之间的相关性,因此,作者使用核CENP-A水平作为错误定位的CENP-A的读数。为了全面分析显示核CENP-A水平改变的基因消耗,作者使用针对21,405个基因(每个基因三个siRNA)的siRNA文库进行了基于图像的全基因组RNAi筛选。筛选使用HeLa YFP-CENP-AHigh细胞,在未修饰的HeLa细胞中,外源的CENP-A水平比内源的CENP-A高17倍(附录图S1A,B)。siRNA转染72小时后,作者使用384孔板的高通量成像平台测量细胞核YFP荧光强度,作为YFP- cenp - a水平的报告。利用每口孔的平均核YFP-CENP-A强度,作者确定了相对于阴性siRNA (siNeg)对照的中位数YFP-CENP-A z分数,并根据基因水平计算的YFP-CENP-A z分数对候选基因进行排名(见“方法”)。作者使用先前鉴定的靶向CHAF1B的siRNA作为阳性对照。
全基因组RNAi筛选鉴定了176个基因缺失,这些基因缺失使细胞核YFP-CENP-A强度改变了两倍以上,其中108个基因缺失显示细胞核YFP-CENP-A强度增加(图1A;数据集EV1)。与作者之前的研究结果一致,CHAF1A或CHAF1B的缺失显著增强了核YFP-CENP-A的强度 (图1A)。在核YFP-CENP-A强度增加的主要候选基因中,有调节组蛋白沉积、转录激活、蛋白酶体功能和RNA加工的基因(Dataset EV1)。基因消耗降低核YFP-CENP-A强度与基因表达的一般控制有关,包括中介复合物、RNA聚合酶复合物或转录延伸因子的成员(数据集EV1)。对于验证筛选,作者从初级筛选中选择候选基因,当耗尽时改变细胞核YFP-CENP-A强度超过两倍,不包括与RNA或蛋白质周转相关的调节因子。此外,作为验证筛选的一部分,作者纳入了编码相同复合体组分的基因,已知的CENP-A PTM和着丝粒定位的调节因子,以及组蛋白伴侣。199个基因的验证筛选采用与主筛选相同的工作流程,但使用的三种siRNA不同于主筛选中使用的siRNA (Dataset EV2)。作者验证了在主筛选中发现的几个基因缺失,包括CHAF1A和CHAF1B,这些候选基因促进了先前报道的核YFP-CENP-A水平的增加(Dataset EV2;图1B)。关键的是,除了CHAF1A和CHAF1B外,其他候选基因在调节CENP-A水平或定位中的分子作用尚未确定。
图1 基于全基因组图像的RNAi筛选确定显示核CENP-A水平改变的因素
(A)散点图显示用siRNA文库处理的HeLa YFP-CENP-AHigh细胞中YFP-CENP-A水平的中位数(z分数),siRNA文库靶向21320个基因(每个基因3个siRNA)。图中显示了基因水平的数据,当靶向导致更高或更低的核YFP-CENP-A水平时,分别以红色或蓝色点突出显示。(B)柱状图显示HeLa YFP-CENP-AHigh的初级和次级验证筛选结果。结果显示,siRNA处理导致YFP-CENP-A水平中位数比siRNA对照组高两倍以上。(C)使用STRING数据库对(B)中确定的候选基因进行功能分析。网络从字符串分析(https:// stringdb.org/)基于证据的互动来源,包括“实验”,“数据库”和“文本挖掘”。根据(B)所示的YFP-CENP-A Z-score值和颜色等级对节点的边界进行着色。(D)高通量主屏幕的代表性图像,显示阴性对照或转染DNAJC9 siRNA的HeLa YFPCENP-AHigh细胞系中的YFP-CENP-A信号。使用相同的成像参数在×40的放大倍率下获得图像。比例尺:20µm。
在整个细胞周期中,DNAJC9耗竭增加核CENP-A水平
DnaJ同源物,亚家族C,成员9 (DNAJC9)在作者的主要和次要验证筛选中都是最重要的候选者之一(图1A,B)。对初级筛选和验证筛选中核YFP-CENP-A z -评分高于2的候选基因进行网络分析(图1B),发现组蛋白H3伴侣蛋白包括CHAF1A、CHAF1B、NASP和DNAJC9之间存在一系列功能相互作用(图1C,用红色圈出)。主屏幕的代表性图像显示,与对照组相比,siDNAJC9处理的细胞中细胞核YFP-CENP-A信号增加(图1D)。DNAJC9是热休克蛋白HSP40家族的成员,最近被证明对组蛋白H3-H4具有组蛋白伴侣功能。引人注目的是,DNAJC9结合了H3.1/2/3-H4,而不是CENP-A - h4,因此作者的研究结果表明,缺陷的H3-H4供应链可能导致CENP-A定位错误(图1B,C)。这一观点得到了NASP的进一步支持,NASP是另一种维持可溶性H3-H4库所需的组蛋白伴侣,它们的枯竭导致核YFP-CENP-A强度增加(图1B,C)。
仅高水平的CENP-A表达就可能以剂量依赖的方式导致其错定位到非着丝粒区域和CIN表型。因此,作者使用HeLa YFP-CENP-Alow细胞系对DNAJC9进行了深入研究,该细胞系在亲本HeLa中表达的外源性CENP-A水平比内源性CENP-A高约三倍(附录图S1A,B),但未显示构成性CENP-A错定位或CIN表型。首先,作者确定了三种靶向DNAJC9的siRNA (siDNAJC9.1、siDNAJC9.2和siDNAJC9.3)(数据集EV3),与阴性对照siRNA (siNeg)相比,它们对DNAJC9的去除有效(附录图S2)。由于所有sirna的损耗效率相当,作者选择siDNAJC9.3进行进一步的研究。为了控制siRNA脱靶效应,作者进一步对HeLa YFP-CENP-Alow细胞系进行修饰,使其表达一种多西环素诱导的抗siDNAJC9.3的DNAJC9 cDNA (HeLa YFP-CENP-Alow耐Tet -siRNA的DNAJC9)。使用这些细胞,作者用siNeg或siDNAJC9.3转染后,用免疫荧光(IF)评估了有或没有多西环素(DOX)处理的CENP-A的核定位(图2A)。正如预期的那样,与未经DOX处理的siNeg转染对照细胞相比DNAJC9缺失细胞的细胞核YFP-CENP-A水平明显更高(图2A,B)。相比之下,经siDNAJC9.3转染、DOX诱导sirna抗性DNAJC9 cDNA过表达的细胞显示,细胞核YFP-CENP-A水平与对照细胞没有差异,证实了细胞核中CENP-A水平的增加是DNAJC9缺失的特定结果(图2A,B)。
作者接下来测试了在DNAJC9缺失的细胞中观察到的CENP-A核水平的增加是否仅限于特定的细胞周期阶段,因为之前在细胞周期的G1期观察到非着丝性的CENP-A,该阶段在DNA复制过程中被清除。使用核苷酸类似物5-乙基-2 ' -脱氧尿嘧啶(EdU)来标记DNA合成,并在不同的细胞周期群体上标记总4 ',6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI)强度(附录图S3A-C),作者能够观察到在DNAJC9耗竭后,相对于对照条件,在所有细胞周期阶段,CENP-A的核水平增加(图2C,D)。重要的是,DNAJC9缺失并没有显著改变细胞周期谱(附录图S3C-E)。综上所述,作者的研究结果表明,DNAJC9耗竭后核CENP-A水平的增加与细胞周期无关。
DNAJC9缺失的细胞表现出CENPA和CIN表型的错误定位
作者分析了来自对照和DNAJC 9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞的中期染色体扩散情况,使用抗CENP-Al抗体检测CENP-A在有丝分裂染色体上的定位(图3A)。作者的研究结果显示,与对照细胞相比,在DNAJC9缺失的细胞中,非着丝点区域的CENP-A水平显著增加(中值变化5.6倍;图3 a, B)。作者还观察到,在DNAJC9缺失的细胞中,中心体CENP-A水平适度但显著增加(1.3倍;图3 b)。
为了确定外源YFP-CENP-A是否与染色质稳定结合,用高盐(500 mM NaCl)缓冲液预处理细胞后,利用染色体扩散的IF分析YFP-CENP-A的定位。之前已经采用了类似的条件,证明在染色质中稳定结合的CENP-A可以抵抗高盐提取。在对照细胞中,通过对组成性着丝粒相关网络(CCAN)复合体的CENP-C亚基的共免疫染色,YFP-CENP-A主要定位于着丝粒 (图EV1A,B)。DNAJC9的缺失导致非着丝粒区域的YFP-CENP-A水平显著高于对照细胞(增加4.3倍)(图EV1A,B)。这些结果表明外源的错位的CENP-A与非着丝粒染色质稳定相关。为了排除过表达或标记对CENP-A定位的影响,作者检测了内源性CENP-A在缺乏DNAJC9的亲本HeLa细胞中的定位。作者的结果显示,在DNAJC9耗尽后,主要在非着丝粒区域(2.7倍变化),CENP-A水平增加(图EV1C,D)。因此,DNAJC9缺失促进了CENP-A错定位,其程度受CENP-A表达水平的影响。
作者和其他实验室的研究表明,过表达的CENP-A的错定位会导致CENP-C的错定位。此外,具有CENP-A错位的细胞表现出天然着丝点外着丝点蛋白NUF2水平降低,这与有丝分裂缺陷有关。与这些结果一致,作者观察到,在DNAJC9耗尽时,CENP-A错误定位(图3A,B)伴随着在HeLa YFP-CENP-A low细胞中CENP-C错误定位到非着丝粒区域(两倍;图3C,D),对着丝粒无明显影响。因此,在DNAJC9耗竭后观察到的着丝粒区域中CENP-A水平的适度增加(图3B)不足以显著影响CENP-C的着丝粒积累(图3D)。这可以通过CENP-A和CENP-C表达水平之间的非化学计量关联来解释,这将导致CENP-C优先定位到具有显著高水平CENP-A的区域。正如作者之前的研究所报道的那样,作者在DNAJC9耗尽时观察到的CENP-A和CENP-C的错误定位也伴随着天然着丝点上NUF2水平的降低(图3E)。
接下来,作者研究了DNAJC9调控CENP-A、CENP-C和NUF2定位对染色体分离的生理影响。作者的研究结果显示,DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-A low细胞表现出与有丝分裂相关的CIN表型,包括微核发生率较高和染色体分离缺陷(图3F,G)。这些表型在缺失DNAJC9的亲本HeLa细胞中并不明显(图EV1E),后者显示出较低水平的CENP-A错定位(图EV1C,D)。然而,在HeLa YFPCENP-AHigh细胞中,DNAJC9的缺失导致CENP-A错定位和CIN更高,导致CENP-A错定位和染色体分离缺陷进一步增加(图EV1F-H)。这些结果表明,超过一定阈值的CENP-A表达和错定位使CIN表型在DNAJC9缺失的细胞中更具渗透性。作者得出结论,DNAJC9功能的破坏导致CENP-A和CIN表型的错误定位。
图2 在Hela YFP-CENP-A low中,DNAJC9耗竭后核CENP-A水平升高
(A)细胞核CENP-A水平在DNAJC9缺失的细胞中升高。免疫荧光图像显示表达DOX诱导的siRNA抗性DNAJC9的HeLa YFP-CENP-A low细胞中的核CENP-A水平。用siNeg或siDNAJC9.3转染细胞。DOX诱导的siRNA抗性DNAJC9的表达恢复了siDNAJC9.3转染细胞中增加的核CENP-A水平。比例尺:15µm。(B)散点图显示在(A)中描述的条件下核CENP-A强度。N表示三个生物重复中每个条件下分析的细胞总数,并给出标准差(SD)的平均值。P值采用单因素方差分析,采用Tukey 's特设检验。(C)在DNAJC9缺失的细胞中,细胞核CENP-A水平在整个细胞周期中升高。代表性IF图像显示来自对照或DNAJC9.3 siRNA转染细胞的间期细胞核,免疫染色为CENP-A和EdU。根据EdU和DAPI信号强度将三个生物重复的细胞分为G1、S或G2期,见附录图S3A、B。比例尺:5µm。(D)散点图显示G1、S或G2细胞的核CENP-A强度,如(C)所示。N表示从三个生物重复中分析的每种条件下的细胞总数,并显示标准差(SD)的平均值。P值采用单因素方差分析,采用Tukey 's特设检验。
DNAJC9的缺失稳定了CENP-A并有助于其在染色质中的富集
在缺乏DNAJC9的细胞中,CENP-A错定位到非着丝粒区域,这使作者研究了DNAJC9是否调节CENP-A的表达。为此,作者分析了CENP-A转录物水平,并证明DNAJC9的有效消耗不会影响CENP-A mRNA的水平(图4A)。作者推断,CENP-A的错误定位可能是由于CENP-A的稳定性增加。通过环己亚胺(CHX)追踪实验,利用对照或DNAJC9缺失细胞制备的全细胞提取物抑制蛋白合成后,评估YFP-CENP-A蛋白的稳定性。作者的研究结果表明,YFP-CENP-A在DNAJC9缺失的细胞中更稳定(图4B,C)。作者接下来研究了较高的CENP-A蛋白稳定性是否与其增加的染色质富集相关。对照细胞和DNAJC9缺失细胞的可溶性部分和染色质部分的Western blot分析显示,在DNAJC9缺失细胞的染色质部分中,YFP标记的和内源性的CENP-A的富集程度都显著提高(图4D,E)。基于这些观察,作者得出结论,在DNAJC9缺失的细胞中,CENP-A蛋白更稳定,并且与染色质的相关性更高。
图3 DNAJC9缺失导致HeLa YFP-CENP-Alow细胞中CENP-A和CIN的错定位。
(A)在DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中,CENP-A错定位。siNeg或si DNAJC99.3转染的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中期染色体扩散免疫染色的代表性图像。比例尺:15µm。插页比例尺:1µm。(B)散点图显示(A)中描述的在三个生物重复的着丝粒或非着丝粒区域校正背景的CENP-A强度。中位数如图所示。每个圆圈代表单个染色体的值。Chrs是指从三个生物重复中测量的每个条件下的染色体总数。显示了三个生物重复的所有测量值的平均值和标准差。P值采用Mann-Whitney U检验计算。(C)在DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中,CENP-C错定位。siNeg或siDNAJC9.3转染细胞中期染色体扩散的代表性图像免疫染色为CENP-C和CENP-A。比例尺:15µm。插页比例尺:1µm。(D)散点图显示(C)中描述的在三个生物重复的着丝粒或非着丝粒区域校正背景的CENP-C强度。中位数如图所示。每个圆圈代表单个染色体的值。Chrs是指从三个生物重复中测量的每个条件下的染色体总数。显示了三个生物重复的所有测量值的平均值和标准差。P值采用Mann-Whitney U检验计算。(E)在DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中,着丝点处的NUF2水平降低。上图:固定细胞免疫荧光图像的代表性图像,显示转染siNeg或siDNAJC9.3的中期细胞中NUF2和CENP-A的定位。比例尺:5µm。下图:散点图显示着丝点处的NUF2强度,经背景校正。从三个生物复制中分析了指示的细胞数量,每个圆圈代表单个着丝点的值。kTs是指从三个生物重复中测量的每个条件下的着丝点总数。显示了所有测量值的平均值和标准差。P值采用Mann-Whitney U检验计算。(F, G) HeLa YFP-CENP-Alow细胞中CIN表型发生率增加。代表性IF图像显示,在DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中,微核(F)和染色体分离缺陷(G)由白色箭头表示。比例尺:15µm。条形图显示了转染对照(siNeg)或siDNAJC9.3的细胞中微核细胞(F)和染色体分离缺陷细胞(G)的百分比。3个生物重复绘制均数与标准差,P值采用非配对t检验计算。N表示每种情况下分析的细胞总数。
DNAJC9的缺失促进了CENP-A与H3-H4核小体组装途径的关联
为了确定驱动CENP-A错定位的机制,作者采用了基于蛋白质组学的方法,使用免疫沉淀结合无标记质谱(IP-MS)分析,评估DNAJC9的缺失如何影响从可溶性或染色质部分纯化的过表达CENP-A的相互作用(图5、EV2、EV3和EV4;数据集EV4)。在这些实验中,作者使用了DOX诱导的CENP-A FLAG-HA HeLa S3细胞系,除了DNAJC9缺失,作者还包括了CAF1B (CHAF1B)缺失,因为这也会促进CENP-A错定位。Western blot分析证实了siRNA沉默的有效性;正如预期的那样,与siCTRL (siNeg)转染的对照条件相比,siDNAJC9和siCAF1B中的异位CENP-A水平更高(图5A)。此外,在所有染色质提取物中证实了MNase消化水平的一致性(图5A)。没有DOX诱导的CENP-A表达(-DOX)的对照纯化进行设置统计阈值,允许在两个细胞组分中识别特异性富集在CENP-A纯化中的因子(图2)。EV2A,B和EV3A,B;数据集EV4)。在可溶性(955)和染色质(1045)CENP-A IP-MS实验中显著富集的蛋白中,大约一半(486)在两个细胞组分中都富集了CENP-A(图EV3G;数据集EV4)。为了概述富含可溶性和染色质结合的CENP-A的生物过程,作者使用STRING-db排序表功能富集分析进行了基因本体(GO)分析,使用聚类分析评估富集项的冗余度(图EV4)。该分析显示,与CENP-A和dna相关的核小体组装因子的GO-terms富集——应用依赖性和非应用依赖性核小体组装、转录、核苷酸切除修复和类异戊二烯代谢(图EV4;数据集EV4)。
为了确定在DNAJC9或CAF1B缺失时导致CENP-A错定位的潜在机制,作者比较了在siRNA条件下(图5C),使用诱导归一化来解释CENP-A水平的差异(图5C, EV2C-F和EV3C-F),在可溶性和染色质CENP-A纯化中特异性富集的蛋白质强度(图5B, EV2B和EV3B)。对于可溶性CENP-A纯化,作者观察到19个siCAF1B蛋白,56个siDNAJC9蛋白和10个蛋白(MCM2, SP16H/SPT16, NSL1, KIF11, FACD2, RPTOR, ESYT2, MELK, CSRP2, PTPM1;图EV2F;数据集EV4)在siDNAJC9和siCAF1B条件下与对照组相比。值得注意的是,DNAJC9的缺失揭示了与DNAJC9功能相关的组蛋白伴侣的显著富集,这些组蛋白伴侣参与DNA复制(MCM2, TONSL),转录(SPT2)或两者(SPT16/SP16H和SSRP1: FACT复合体)(图5C和EV2D)。有趣的是,NSL1是着丝点组装所需的MIS12复合体的一部分,在DNAJC9和CAF1B缺失的可溶性CENP-A数据集中都高度富集,尽管在这些纯化中缺乏其他MIS12复合体成员(图5C和EV2E)。
在染色质部分,DNAJC9或CAF1B的缺失分别增强了CENP-A与140和35个蛋白的相互作用,其中30个蛋白在两种条件下与对照组相比都富集(图EV3F;数据集EV4)。与CENP-A在非着丝粒区域的错误定位一致,作者观察到在DNAJC9或CAF1B耗尽后,着丝粒蛋白与染色质结合的CENP-A的关联减少(图5C和EV3D,E)。这包括调节着丝点功能的CCAN复合体的成员和CENP-A沉积因子(HJURP和Mis18复合体成员MIS18B和MIS18BP)。在分析的所有IP-MS条件下,Mis18复合体成员MIS18A都不能可靠地检测到,因此无法确定折叠变化。相反,多种非着丝粒染色质调节因子(如NuRD复合物和DNMT3A)在DNAJC9或CAF1B耗散后富集了CENP-A,与着丝粒外沉积增强一致。在DNAJC9缺失后,染色体客运复合体成员(AURKB/Aurora kinase B、BOREA/borealin、BIRC5/survivin、INCE/INCENP)在染色质中也持续富集了CENP-A,并且这些蛋白中只有BIRC5在CAF1B缺失的细胞中显著富集;然而,这种增强的相互作用可能产生的后果尚不清楚。
值得注意的是,当DNAJC9被耗尽时,作者观察到与DNA复制相关的组蛋白H3-H4伴侣的水平更高,包括MCM2、TONSL和与CENP-A相关的FACT(图5C)。这种增强的关联在可溶性的CENP-A IP-MS数据集中尤其强烈,暗示了CENP-A错误定位与DNA复制耦合核小体组装途径之间的合理联系。综上所述,作者的相互作用组分析揭示了在CAF1B或DNAJC9缺失时富含CENP-A的特定和重叠因子。这表明,组蛋白伴侣水平的扰动对组蛋白供应链平衡有重大影响,可能是导致CENP-A错定位的关键驱动力。
图4 DNAJC9的缺失稳定了CENP-A并有助于其在染色质中的富集。
(A)在DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中,CENP-A转录物水平没有改变。柱状图显示对照细胞和DNAJC9缺失细胞中标准化为GAPDH的CENP-A和DNAJC9的平均RNA水平。绘制3个生物重复的均值和标准差,采用Sidak多重校正检验的双因素方差分析计算P值。(B) YFP-CENP-A在DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中稳定性更高。全细胞提取物的Western blot结果显示,对照组或DNAJC9缺失细胞在指定时间段内经100µg/ml环己亚胺处理后,DNAJC9缺失细胞的DNAJC9缺失和YFP-CENP-A水平。以α -微管蛋白作为上样对照。(C) b所示结果的折线图,绘制三个生物重复的平均值和标准差。(D)从DNAJC9缺失的HeLaYFP-CENP-ALow细胞的染色质组分中富集CENP-A。从对照细胞或DNAJC9缺失细胞制备的可溶性和染色质组分进行Western blot,显示HeLa YFP-CENP-ALow染色质上的YFP-CENP-A和内源性CENP-A水平。α -微管蛋白和H2B分别作为可溶性和染色质部分的标记物。(E)条形图显示在指定条件下染色质上YFP-CENP-A或内源性CENP-A归一化至H2B对照的水平。从三个生物重复中绘制平均值和标准差。P值采用非配对t检验计算。
MCM2有助于DNAJC9缺失细胞中CENP-A的错误定位
考虑到在作者的CENP-A相互作用组分析中复制偶联H3-H4伴侣的富集(图5C),以及MCM2和DNAJC9的组蛋白伴侣关系,作者决定表征MCM2是否在促进DNAJC9缺失的细胞中CENP-A错定位中发挥作用。这是合理的,因为MCM2参与了DNA在着丝粒复制过程中对CENP-A-H4的再循环,并且MCM2的组蛋白结合模式与CENPA-H4结合是兼容的。
为了研究CENP-A与MCM2相互作用的增强是否导致了DNAJC9缺失细胞中CENP-A的错定位,作者在HeLa YFP-CENP-Alow细胞中共同缺失了MCM2和DNAJC9。RT-qPCR分析证实,与对照细胞相比,转染了靶向各自转录本的siRNA的细胞中,DNAJC9和MCM2的表达降低,但对CENP-A的表达没有显著影响(附录图S4A-C)。Western blot分析显示DNAJC9的有效损耗,然而MCM2的部分损耗(图6A)。接下来,作者利用对照细胞和DNAJC9和/或MCM2缺失细胞制备的有丝分裂染色体扩散物分析了CENP-A的定位。正如预期的那样,作者观察到,与siNeg转染的细胞相比,siDNAJC9.3转染的细胞在着丝粒和非着丝粒区域的CENP-A水平都有所增加(图6B,C)。与对照细胞相比,MCM2消耗单独导致着丝体CENP-A水平降低,这与先前观察到的MCM2在CENP-A着丝体关联中的作用一致。MCM2和DNAJC9共同缺失的细胞在着丝粒和非着丝粒区域显示出降低的CENP-A水平(图6B,C)。基于这些结果,作者得出结论,MCM2与CENP-A的相互作用增强导致了DNAJC9缺失细胞中CENP-A的错定位。
图5 在DNAJC9和CAF1B缺失后,CENP-A在可溶性和染色质组分中相互作用。
(A)(左)可溶性和无染色质标记的CENP-A-Flag-HA IP-MS实验概述,由于缺乏敲除,siDNAJC9生物重复2次被省略。中:从表达CENP-A-Flag-HA (DOX +)和未诱导对照(无DOX)的细胞中提取siRNA后进行可溶性和染色质提取物的Western blot检测。以Alpha-Tubulin和H4分别作为可溶性和染色质组分的上样对照。右图:染色质提取物中的酶消化水平。siDNAJC9为n = 4个生物重复,其他条件为n = 5个生物重复。(B, C)来自可溶性和染色质部分CENP-A-Flag-HA IP-MS实验的气泡图,封闭的圆圈代表显著的变化,通过双侧T检验进行评估。B组的统计参数为S0 = 0, FDR = 0.01,最小Log2倍变化为1.5;C组的统计参数为S0 = 0.1, FDR = 0.05。人类UniProt蛋白质识别代码所引用的蛋白质。另见图中详细的数据分析步骤。EV2、EV3和数据集EV4,以及图EV4和数据集EV4中的基因本体分析。(B)与未诱导CENP-A- FLAG- HA的对照条件相比,siRNA处理条件下与可溶性和染色质结合的CENP-A相关因子的富集(DOX-)。使用原始无标签量化强度(LFQ)计算比率。(C)与siCTRL条件相比,siDNAJC9和siCAF1B条件下与CENP-A-Flag-HA特异性相关的蛋白质的富集(红色)和缺失(蓝色)。根据比率归一化无标记量化强度(LFQB.N.)计算的比率。
催化失活的DNAJC9和错误调控的H3-H4供应促进了CENP-A的错误定位
DNAJC9有两个结构域,一个是募集HSP70活性的催化J结构域,另一个是组蛋白H3-H4结合结构域。这种综合功能有助于在DNA复制和转录过程中维持适当折叠的H3-H4二聚体在染色质上沉积的供应。为了确定DNAJC9的哪些结构域是防止CENP-A错定位所必需的,作者用FLAG标记的DNAJC9野生型(WT)或突变型DNAJC9构建物转染HeLa YFP-CENP-Alow,这些构建物破坏了J结构域、组蛋白结合结构域或两个结构域的催化活性 (突变体J、4A和4AJ);图7 a)。转染72小时后,作者观察到表达J突变体的细胞,而不是其他突变体,表现出更高的核CENP-A信号,这是非着丝性CENP-A定位的代表(图7B,C)。由于无法正确参与HSP70型酶的蛋白质折叠活性,DNAJC9 J突变体捕获组蛋白H3-H4并使其积聚在可溶性部分。
这些结果表明,CENP-A的错误定位与正确折叠的H3-H4的供应减少有关。然而,表达组蛋白结合突变体(4A或4AJ)的细胞不会表现出核CENP-A水平的增加,这可能是由于这些突变体对内源性DNAJC9功能缺乏显性的负面影响。这是意料中的,因为组蛋白结合突变体的单独表达不会导致可溶性组蛋白的积累。因此,作为一种表型减少H3-H4供应的独立方法,作者通过siRNA介导的靶向两个H3.3编码基因之一(H3F3A)来减少HeLa YFP-CENP-Alow细胞中的组蛋白H3.3。即使总H3.3水平部分降低(附录图S5A),作者也观察到非着丝粒的CENP-A水平显著升高(2.66倍),而着丝粒的变化不显著(附录图S5B,C)。总之,这些发现表明,H3-H4供应链的阻断为CENP-A劫持H3-H4核小体组装途径的成分提供了机会,导致其沿染色体臂的错误定位。
图6 MCM2有助于DNAJC9缺失细胞中CENP-A的错误定位。
(A) 使用或不使用MCM2缺失的对照细胞或DNAJC9缺失的细胞制备的全细胞提取物的Western blot显示,在HeLa YFP-CENP-Alow中,DNAJC9和MCM2缺失的效率。以α -微管蛋白作为上样对照。显示了三个生物复制的代表性图像。(B) MCM2缺失抑制了DNAJC9缺失的HeLa YFP-CENP-Alow细胞中CENP-A的错误定位。在三个生物重复中,对照或DNAJC9.3 siRNA转染的细胞中,MCM2缺失或未缺失的HeLa YFP-CENP-Alow中,中期染色体扩散免疫染色的代表性图像。比例尺:15µm。插入比例尺:5µm。(C)散点图显示在着丝粒或非着丝粒区域的背景校正后的CENP-A强度,如b所述。每个点代表来自单个染色体的值。Chrs表示从三个生物重复中测量的每个条件的染色体总数。红色水平线表示平均信号强度,误差条表示三个生物重复的所有测量值的标准差。P值采用单因素方差分析,采用Tukey 's特设检验。
在DNAJC9缺失后,观察到全基因组的CENP-A错定位
接下来,作者在永生化但未转化的hTERT-RPE1细胞中测试了CENP-A是否在DNAJC9缺失时错定位,这些细胞接近具有功能p53的二倍体细胞。作者构建了一个可诱导的RPE1-Tet-GFP-CENP-A细胞系,并检测了DNAJC9缺失的细胞在DOX诱导后是否会出现CENP-A错定位。Western blot证实了DOX诱导后GFP-CENP-A的表达和DNAJC9的有效消耗(图EV5A)。正如在HeLa YFP-CENP-Alow细胞中观察到的那样(图4A), DOX处理细胞中DNAJC9的缺失没有显著改变CENP-A的转录水平(图EV5B)。对DOX处理对照和si DNAJC9转染细胞的中期染色体扩散分析显示,在DNAJC9缺失的细胞中,着丝点和非着丝点区域的CENP-A水平均较高(图EV5C)。这些结果表明,在转化细胞(HeLa)和非转化细胞(hTERT-RPE1)中,DNAJC9缺失后的CENP-A错定位都可能发生。
为了确定CENP-A错定位的位点,作者在对照细胞和表达RPE1的DNAJC9缺失的GFP-CENP-A细胞中进行了CUT&RUN (Cleavage Under Targets & Release Using Nuclease)测序。DNAJC9的缺失导致所有染色体上非着丝粒CENP-A峰的更高富集(图8A),与单克隆对照细胞相比,这在两个生物重复中观察到(图8B和EV5D)。
与对照组相比,作者的分析管道发现,在DNAJC9缺失的细胞中,有17,341个显著富集的CENP-A峰存在于两种生物重复序列中(图EV5E)。这些结果与作者的数据一致,显示在DNAJC9缺失的细胞中,错误定位(图3A,B)和染色质上的CENP-A积累(图4D)。在与活性和抑制标记(图8D)相关的基因和基因间区域(图8C)观察到非着丝粒CENP-A的积累,并倾向于转录活性区域(由H3K27ac, H3K9ac和H3K4me3标记),并且在ATAC-seq数据集中更容易获得(图8E)。总之,作者的数据表明,DNAJC9功能的丧失导致染色体稳定的近二倍体RPE1细胞中CENP-A的全基因组错定位。
图7 催化失活的DNAJC9以H3依赖的方式促进CENP-A错定位
DNAJC9结构域的组织示意图,以及用红色指针标记的J结构域和/或组蛋白结合结构域(HBD)的突变位点。WT野生型DNAJC9, J突变型DNAJC9 J结构域突变,4A突变型DNAJC9组蛋白结合结构域突变,4AJ型DNAJC9组蛋白结合和J结构域突变。(B)在表达无催化活性J突变体的细胞中观察到核CENP-A水平升高。用(A)中所述的构建物瞬时转染72小时后,来自三个独立实验的HeLa YFP-CENP-Alow细胞的免疫荧光图像显示细胞核CENP-A水平。比标条:15µm。(C)散点图显示了(A)中所述条件下的核CENP-A强度。图下显示了三个生物重复中每种条件下分析的细胞总数。平均与标准差(SD)显示。P值采用单因素方差分析,采用Tukey 's特设检验。
图8 全基因组CUT&RUN分析显示,在缺失DNAJC9的RPE1细胞中,CENP-A错定位于非着丝粒区域。
(A) CENP-A CUT&RUN峰密度核图,代表对照(蓝色轨迹)和处理RPE1-Tet-GFP-CENP-A细胞的siDNAJC9(红色轨迹)中鉴定的CENP-A的分布。该图表示每种条件下两个生物重复的平均值。(B)两个生物重复中对照(siNeg)和经DOX处理的RPE1-Tet-GFP-CENP-A细胞中缺乏DNAJC9的细胞通过CUT&RUN测序鉴定出的峰相关基因(N = 9253)的热图。每个条件的读取密度(z-score归一化)显示在热图上方,并以DNAJC9缺失细胞中鉴定的CENP-A峰的中点为中心。(C)饼状图,表示在DNAJC9缺失的CENP-A CUT&RUN数据集中发现的17,341个显著共同峰在指定基因组特征上的分布。(D)热图显示了与对照细胞(siNeg)相比,DNAJC9缺失细胞中显著富集的CENP-A CUT&RUN峰的折叠变化,计算了与各种表观遗传标记相关的基因组位点。(E)读取密度图显示在指定条件下识别的CENP-A CUT&RUN峰与先前发表的ATAC-Seq实验的峰重叠(GSM6383021)。图以确定的峰的中点为中心。
讨论
组蛋白H3变体CENP-A在着丝粒的沉积对于维持着丝粒染色质的完整性和染色体准确的分离是必不可少的。对出芽酵母、裂变酵母、果蝇和人类细胞的研究表明,过表达的CENP-A错定位于非着丝粒区域会导致CIN。尽管有这些观察结果,促进或防止CENP-A错误定位的蛋白质在很大程度上仍然不确定。本研究中提出的全基因组RNAi筛选首次全面鉴定了改变核CENP-A水平的基因耗尽,从而改变了CENP-A的定位。在增加核CENP-A强度的基因缺失中,RNAi筛选发现了多个调节组蛋白H3沉积的候选基因(CHAF1A, CHAF1B, EP400, TRRAP, NASP, DNAJC9),这表明维持H3-H4稳态对于防止CENP-A错定位至关重要。在这里,作者定义了热休克蛋白和H3-H4共同伴侣DNAJC9在防止CENP-A和CIN错定位中的新作用。对DNAJC9缺失细胞中CENP-A相互作用组的分析强调了组蛋白伴侣MCM2在促进CENP-A错定位中的作用。作者提供了对CENP-A错定位模式的机制见解,并表明DNAJC9的催化活性是防止CENP-A错定位所必需的。作者提出,由组蛋白伴侣如DNAJC9调节的H3-H4供应链的完整性可以防止CENP-A混杂进入异常沉积途径和CIN。
DNAJC9是该筛选的主要候选物质之一,它调节H3-H4的折叠和供应。作者观察到在细胞周期的所有阶段,DNAJC9缺失的细胞中细胞核CENP-A强度增加。此外,DNAJC9缺失的细胞表现出CENP-C错定位到非着丝粒区域,着丝点上的NUF2水平降低,以及以微核、后期桥和滞后染色体为特征的CIN表型。综上所述,这些结果表明,天然着丝点结构的缺陷可能有助于DNAJC9耗竭后的CIN。先前的研究表明,表达显性阴性DNAJC9突变体的HeLa细胞表现出有丝分裂缺陷,包括多极纺锤体形成和染色体错分离;然而,这些表型的机制基础尚未明确。总之,这些发现表明,适当的DNAJC9功能可以防止CENP-A和CIN的错误定位。
通过相互作用组分析,作者提供了在DNAJC9缺失的细胞中,CENP-A错定位的机制。作者的数据显示,在DNAJC9耗散后,参与DNA复制耦合核小体组装的伴侣蛋白如TONSL和MCM2与CENP-A富集。MCM2伴侣蛋白是新的可溶性组蛋白,并在复制叉的亲本组蛋白循环中发挥作用。同时,在组蛋白供给过程中,TONSL作为新的组蛋白H4尾部的读取器。MCM2和TONSL以组蛋白依赖的方式相互作用,是DNAJC9的组蛋白合作伙伴。有趣的是,作者观察到可溶性CENP-A与染色质结合的CENP-A相比,在DNAJC9耗尽后,这些因子的富集程度更高。MCM2还可以与HJURP在共伴侣复合物中结合CENP-A - H4,其部分功能是在DNA复制后促进着丝粒CENP-A的重组。作者的数据表明,MCM2与DNAJC9的共耗尽抑制了CENP-A的错定位。
因此,虽然MCM2有助于非着丝性CENP-A的再循环似乎是合理的,但作者的数据支持新组蛋白H3-H4供应途径保真度的丧失是DNAJC9耗尽时导致CENP-A错定位的主要因素。作者的研究结果加强了这一概念,即在表达催化活性不强的DNAJC9突变体的细胞中增加了CENP-A错定位。J突变体可以结合H3 - H4,但不能招募和刺激HSP70来催化适当的折叠,导致H3和H4作为非生产组蛋白供应中间体积累在可溶性部分。因此,DNAJC9J突变体的表达可能通过减少适当折叠的H3-H4池,从而增加H3-H4组蛋白伴侣的可用性,从而有利于CENP-A沉积到非着丝粒染色质上。此外,在H3.3表型DNAJC9功能缺失的情况下,观察到CENP-A的错误定位。总之,这表明H3-H4供应缺陷促进了CENP-A的错误定位,从而导致组蛋白供应链保真度的丧失,从而驱动CIN,这可能与肿瘤发生有关。
与CENP-A在DNAJC9缺失时进入DNA复制偶联核小体组装途径的能力类似,作者还观察到CENP-A与异染色质形成和维持(例如DAXX-ATRX和NuRD复合体)、转录(例如SPT2和FACT复合体)、DNA损伤信号传导/修复(TONSL和PARP1)以及DNA拓扑(TOP2A和TOP2B)相关的途径增强。在这些因素中,DAXX先前被认为与促进CENPA错定位有关。因此,似乎有几种途径可以促进CENP-A的错误定位,这表明CENP-A沉积在某种程度上是机会性的。正如作者在这里所证明的,CENP-A错定位可能受到多种组蛋白供应链缺陷的影响,包括H3-H4供应减少和DNAJC9指导的蛋白质折叠活性的取消。
在DNAJC9缺失后,在RPE1细胞中也观察到过表达的CENP-A错定位,这表明这种表型并不局限于转化细胞。据报道,p53功能的丧失会上调CENP-A水平,并影响过表达CENP-A的细胞从上皮状态向间质状态的转变。作者的数据表明,DNAJC9的缺失与CENPA mRNA水平的变化无关,而是在蛋白质水平上增加了CENP-A的稳定性。这可以解释为什么在p53缺陷细胞(HeLa)和p53活性细胞(RPE1)中都观察到DNAJC9缺失时CENP-A的错误定位。全基因组分析显示,在缺失DNAJC9的RPE1细胞中,富集的CENP-A位点与转录活跃和开放的染色质区域重叠,正如先前对HeLa和SW480细胞系的研究所报道的那样。这些结果强调了CENP-A错定位存在多种途径,如前所述,结合H3.1/2/3-H4的DNAJC9对与DNA复制和转录相关的组蛋白供应链平衡有很强的影响。
总之,作者已经定义了新的CENP-A错定位调节因子,并描述了DNAJC9组蛋白H3-H4伴侣功能在预防CENP-A错定位和CIN表型中的作用。作者提出了一个模型(图9),表明在无扰动的H3-H4供应条件下,CENP-A的定位仅限于着丝体区域。siRNA介导的缺失或催化无活性J突变体的表达导致DNAJC9功能丧失,导致CENP-A错定位到非着丝粒区域。DNA复制相关的组蛋白伴侣MCM2在缺乏DNAJC9的情况下促进异位CENP-A沉积。CENP-A的全基因组错定位驱动CIN表型,其特征是微核和有丝分裂染色体分离缺陷。作者的数据支持先前的研究,表明组蛋白变异供应链通过组蛋白伴侣网络相互连接,这里作者强调DNAJC9是促进该网络中组蛋白特异性保真度的关键因素。通过提供这一功能,作者证明了DNAJC9可以阻止CENP-A混杂进入H3-H4沉积途径,从而阻止CIN,这是许多癌症的已知标志。总之,作者的研究强调了如何扰乱组蛋白供应链和组蛋白伴侣网络之间的平衡可以对染色质组织产生主要的下游后果。
图9 DNAJC9通过维持H3-H4供应链的保真度来防止CENP-A错定位和染色体不稳定的作用模型。
在H3-H4供应不受干扰的野生型DNAJC9环境中,CENP-A定位于着丝粒区,维持正常的染色体分离状态。作者认为,DNAJC9功能的缺失会减少H3-H4的供应,并在mcm2介导的途径中促进CENP-A错定位到非着丝粒区域。CENP-A的异位定位导致CIN表型的发生率更高。