水稻RAD21/REC8家族基因的分离与功能分析

染色体黏着是有丝分裂和减数分裂的关键事件，是保证姊妹（或同源）染色体正确分离并分配到子细胞中的关键调控环节之一，它建立于细胞分裂前的S期将新复制的姊妹染色体紧密联系在一起。来自酵母的研究结果已经证明姊妹染色体之间的黏着是由多亚基的蛋白质复合体－黏着素所介导的。在芽殖酵母有丝分裂中，黏着素由Scc1，Scc3，Smc1和Smc3四个亚基组成。减数分裂黏着素的组成与有丝分裂中的相似，只是Scc1被其减数分裂特异的Rec8变体所替换。目前，已经从高等真核生物线虫，果蝇，人，鼠以及拟南芥中分离到了黏着素相关的基因，但是对于这些基因在高等真核生物特别是植物细胞分裂中的功能还知之甚少。即使在酵母中人们对于减数分裂和有丝分裂过程中有关染色体黏着与分离的许多基本问题仍然不清楚，而且许多现象表明减数分裂的详细机制在各种生物中存在重大差异。 我们通过同源克隆的方法证明水稻（和拟南芥）基因组编码4个RAD21/REC8-like基因。这4个基因均以单拷贝存在，在核苷酸水平上没有相似性。它们所编码的蛋白质的相似性主要局限于其N-末端结构域和C-末端结构域。这4个蛋白质的中间区域没有（或者仅有极低的）相似性，但是中间区域都含有潜在的核定位信号，PEST序列，分离酶的识别序列以及多个磷酸化位点。 半定量RT-PCR，原位杂交以及Western杂交结果显示这4个基因都在生殖器官中优势表达，但是它们在花发育过程中的表达动态是不同的。OsRAD21-1和OsRAD21-3都在减数分裂时期的颖花中表达量最高，但是OsRAD21-3还在成熟花粉中高表达;OsRAD21-4在减数分裂前的颖花中表达量最高;OsRAD21-2则在雌雄蕊形成时期表达最强，之后逐渐降低。这些结果暗示这4个基因的功能可能是不同的。 免疫荧光定位分析表明，OsRad21-1和OsRad21-3 特异地定位于有丝分裂的染色体上，其分布动态表明这两个蛋白可能都参与了有丝分裂姊妹染色体之间的黏着。由于水稻四个RAD21/REC8类基因中，只有OsRAD21-3在花粉发育过程中表达，同时水稻花粉的发育成熟要经过两次有丝分裂，推测OsRad21-3蛋白可能参与这两次有丝分裂过程姊妹染色体之间的黏着。OsRad21-4则特异地定位于减数分裂前间期到中期Ⅰ的染色体上，说明它可能特异地介导减数分裂过程姊妹染色体之间的黏着。与其它已知的Rad21/Rec8-like蛋白不同，不论在有丝分裂还是在减数分裂过程中，OsRad21-2蛋白都不定位于染色体上而是特异地定位在核仁中，并且它的动态变化与核仁重建和解体的动态规律在时间上也是相一致的，这说明OsRad21-2是一种新的核仁蛋白质而与染色体的黏着无关。 OsRAD21-4 RNAi转基因水稻植株的花粉活性受到严重影响，种子结实率降低。雄性减数分裂过程中染色体出现多种异常行为：前期Ⅰ染色体异常凝集;同源染色体提早分离;染色体出现片断化。进一步的FISH实验结果证明RNAi株系中同源染色体配对和姊妹染色体臂的黏着均发生异常。因此，OsRad21-4是酵母Rec8的同源蛋白，是正确的减数分裂所必需的。 与表达分析和功能分析所得的结果相一致，进化树分析可以将Rad21/Rec8-like蛋白质分为三个亚家族：（1）Rad21亚家族，参与有丝分裂姊妹染色体黏着;（2）Rec8亚家族，参与减数分裂染色体黏着;（3）Rno亚家族，目前仅发现于高等植物中，是一种核仁蛋白质而与其它的Rad21/Rec8-like蛋白的功能不同，可能不参与染色体之间的黏着。

水稻RAD21/REC8家族基因OsRAD21-3的功能研究

有丝分裂和减数分裂包含一系列协同作用的事件，姊妹染色体的黏着是其中非常重要的一个环节。通过对芽殖酵母的研究发现姊妹染色体的黏着是由一个多亚基的蛋白复合体——黏着素介导的，在有丝分裂过程中，黏着素由Scc1（裂殖酵母中为Rad21）、Scc3、Smc1和Smc3四个亚基组成，而在减数分裂中Scc1被其同源蛋白Rec8所取代。通过对其它真核生物包括线虫、果蝇、爪蟾、鼠、人以及拟南芥等进行的研究显示，黏着素介导的姊妹染色体黏着的基本机制在真核生物中具有保守性，但在不同的物种中，其具体的分子机制还存在着差异。开花植物的有性生殖过程包含了一个非常特殊的花粉发育阶段，其间发生了两次花粉的有丝分裂，对其我们还知之甚少。Rad21/Rec8作为黏着素的重要组分，对水稻中它的同源蛋白进行深入研究可以帮助我们对植物有丝分裂和减数分裂的染色体黏着机制有进一步的了解。 我们发现在水稻基因组中存在4个编码Rad21/Rec8家族蛋白的基因，其中OsRAD21-3位于水稻第8号染色体上，其编码的蛋白与其它的Rad21/Rec8家族蛋白一样，具有保守的N-和C-末端结构域。序列比对和进化分析的结果表明OsRad21-3蛋白属于Rad21亚家族，而免疫荧光定位分析显示OsRad21-3可以特异地定位于有丝分裂的染色体上，由此说明OsRAD21-3应当是酵母RAD21的直系同源基因。对OsRAD21-3进行半定量RT-PCR，Western杂交以及原位杂交的结果显示它在生殖器官花中优势表达，在营养器官中也能检测到表达。在花中它在从雌雄蕊形成期到成熟花粉期都有表达，其表达的位置主要位于减数分裂时期的小孢子母细胞以及减数分裂后的小孢子和花粉中。在水稻四个RAD21/REC8基因中，OsRAD21-3是唯一一个在花粉发育过程中表达的基因，说明它可能在减数分裂后的雄配子体发育过程中发挥了功能。 采用RNAi手段对OsRAD21-3的功能进行研究发现OsRAD21-3 RNAi转基因水稻植株的育性显著下降，进一步的分析表明其花粉活性受到严重影响。对OsRAD21-3i株系的雄性减数分裂过程及减数分裂后的小孢子和花粉发育过程进行观察发现，减数分裂过程中有少量细胞存在染色体的异常行为，但总体上没有对雄性减数分裂造成严重影响，而减数分裂后的小孢子和花粉发育过程则出现了显著异常，表现为花粉有丝分裂的停滞或有丝分裂染色体分离的扰乱，因此，OsRAD21-3应当主要是通过在花粉的有丝分裂过程中发挥功能而参与减数分裂后的雄配子体发育过程，而它在雄性减数分裂过程中可能也有一定作用。 利用原位杂交技术分析了水稻另外三个RAD21/REC8基因的表达特性，结果表明OsRAD21-1、OsRAD21-2和OsRAD21-4都在减数分裂前及减数分裂期的小孢子母细胞中表达，但在减数分裂后较晚时期的小孢子中则没有检测到表达。OsRAD21-4在小孢子母细胞中的表达为其参与减数分裂过程染色体的黏着提供了证据，而OsRAD21-1和OsRAD21-2在此过程中的功能还有待进一步研究。此外，OsRAD21-1和OsRAD21-2还在营养器官有丝分裂旺盛的区域表达，OsRAD21-1作为RAD21的同源基因可能与OsRAD21-3在参与有丝分裂染色体黏着方面存在功能上的冗余性，但OsRAD21-3参与花粉的发育过程则是其所特有的，这可能也在一定程度上说明了为什么水稻中会存在4个RAD21/REC8基因，并帮助我们更好地了解了它们在功能上的分化。

Phenotype and genotype in 103 patients with tricho-rhino-phalangeal syndrome.

Tricho-rhino-phalangeal syndrome (TRPS) is characterized by craniofacial and skeletal abnormalities, and subdivided in TRPS I, caused by mutations in TRPS1, and TRPS II, caused by a contiguous gene deletion affecting (amongst others) TRPS1 and EXT1. We performed a collaborative international study to delineate phenotype, natural history, variability, and genotype-phenotype correlations in more detail. We gathered information on 103 cytogenetically or molecularly confirmed affected individuals. TRPS I was present in 85 individuals (22 missense mutations, 62 other mutations), TRPS II in 14, and in 5 it remained uncertain whether TRPS1 was partially or completely deleted. Main features defining the facial phenotype include fine and sparse hair, thick and broad eyebrows, especially the medial portion, a broad nasal ridge and tip, underdeveloped nasal alae, and a broad columella. The facial manifestations in patients with TRPS I and TRPS II do not show a significant difference. In the limbs the main findings are short hands and feet, hypermobility, and a tendency for isolated metacarpals and metatarsals to be shortened. Nails of fingers and toes are typically thin and dystrophic. The radiological hallmark are the cone-shaped epiphyses and in TRPS II multiple exostoses. Osteopenia is common in both, as is reduced linear growth, both prenatally and postnatally. Variability for all findings, also within a single family, can be marked. Morbidity mostly concerns joint problems, manifesting in increased or decreased mobility, pain and in a minority an increased fracture rate. The hips can be markedly affected at a (very) young age. Intellectual disability is uncommon in TRPS I and, if present, usually mild. In TRPS II intellectual disability is present in most but not all, and again typically mild to moderate in severity. Missense mutations are located exclusively in exon 6 and 7 of TRPS1. Other mutations are located anywhere in exons 4-7. Whole gene deletions are common but have variable breakpoints. Most of the phenotype in patients with TRPS II is explained by the deletion of TRPS1 and EXT1, but haploinsufficiency of RAD21 is also likely to contribute. Genotype-phenotype studies showed that mutations located in exon 6 may have somewhat more pronounced facial characteristics and more marked shortening of hands and feet compared to mutations located elsewhere in TRPS1, but numbers are too small to allow firm conclusions.

Regulation of Initiation of S Phase, Replication Checkpoint Signaling, and Maintenance of Mitotic Chromosome Structures during S Phase by Hsk1 Kinase in the Fission Yeast

Hsk1, Saccharomyces cerevisiae Cdc7-related kinase in Shizosaccharomyces pombe, is required for G1/S transition and its kinase activity is controlled by the regulatory subunit Dfp1/Him1. Analyses of a newly isolated temperature-sensitive mutant, hsk1-89, reveal that Hsk1 plays crucial roles in DNA replication checkpoint signaling and maintenance of proper chromatin structures during mitotic S phase through regulating the functions of Rad3 (ATM)-Cds1 and Rad21 (cohesin), respectively, in addition to expected essential roles for initiation of mitotic DNA replication through phosphorylating Cdc19 (Mcm2). Checkpoint defect in hsk1-89 is indicated by accumulation of cut cells at 30°C. hsk1-89 displays synthetic lethality in combination with rad3 deletion, indicating that survival of hsk1-89 depends on Rad3-dependent checkpoint pathway. Cds1 kinase activation, which normally occurs in response to early S phase arrest by nucleotide deprivation, is largely impaired in hsk1-89. Furthermore, Cds1-dependent hyperphosphorylation of Dfp1 in response to hydroxyurea arrest is eliminated in hsk1-89, suggesting that sufficient activation of Hsk1-Dfp1 kinase is required for S phase entry and replication checkpoint signaling. hsk1-89 displays apparent defect in mitosis at 37°C leading to accumulation of cells with near 2C DNA content and with aberrant nuclear structures. These phenotypes are similar to those of rad21-K1 and are significantly enhanced in a hsk1-89 rad21-K1 double mutant. Consistent with essential roles of Rad21 as a component for the cohesin complex, sister chromatid cohesion is partially impaired in hsk1-89, suggesting a possibility that infrequent origin firing of the mutant may affect the cohesin functions during S phase.

Étude de l'influence du variant d'histone H2A.Z sur l'organisation des nucléosomes aux enhancers liés par le récepteur alpha de l'oestrogène

L'identité et la réactivité cellulaires sont établies, maintenues et modulées grâce à l'orchestration de programmes transcriptionnels spécifiques. Les éléments régulateurs, des régions particulières de la chromatine responsables de l'activation ou de la répression des gènes, sont au coeur de cette opération. Ces dernières années, de nombreuses études ont révélé le rôle central des « enhancers » dans ce processus. En effet, des centaines de milliers « enhancers » seraient éparpillés dans le génome humain, majoritairement dans sa portion non-codante, et contrairement au promoteur, leur activation varierait selon le type ou l'état cellulaire ou en réponse à une stimulation physiologique, pathologique ou environnementale. Les « enhancers » sont, en quelque sorte, des carrefours où transitent une multitude de protéines régulées par les signaux intra- et extra-cellulaires et un dialogue s'établit entre ces diverses protéines et la chromatine. L'identification des « enhancers ainsi qu'une compréhension de leur mode de fonctionnement sont donc cruciales, tant au plan fondamental que clinique. La chromatine joue un rôle indéniable dans l'activité des éléments régulateurs, tant par sa composition que par sa structure, en régulant, entre autres, l'accessibilité de l'ADN. En effet, l'ADN des régions régulatrices est bien souvent masqué par un nucléosome occlusif, lequel doit être déplacé ou évincé afin de permettre la liaison des protéines régulatrices, notamment les facteurs de transcription (FTs). Toutefois, la contribution de la composition de la chromatine à ce processus reste incomprise. Le variant d'histone H2A.Z a été identifié comme une composante de la chromatine aux régions accessibles, dont des « enhancers » potentiels. Toutefois son rôle y est inconnu, bien que des études récentes suggèrent qu'il pourrait jouer un rôle important dans la structure de la chromatine à ces régions. Par ailleurs, un lien étroit existe entre H2A.Z et la voie de signalisation des oestrogènes (notamment la 17-[beta]-estradiol (E2)). Ainsi, H2A.Z est essentiel à l'expression de plusieurs gènes cibles de l'E2. Les effets de l'E2 sont en partie exercés par un FT, le récepteur alpha des oestrogènes (ER[alpha]), lequel se lie à l'ADN suite à son activation, et ce majoritairement à des « enhancers », et permet l'établissement d'un programme transcriptionnel spécifique. Cette thèse vise à définir le rôle d'H2A.Z aux « enhancers », et plus particulièrement son influence sur l'organisation des nucléosomes aux « enhancers » liés par ER[alpha]. D'abord, mes travaux effectués à l'échelle du génome ont démontré qu'H2A.Z n'est présent qu'à certains ER[alpha]-« enhancers » actifs. Cette particularité a fait en sorte que nous avons pu comparer directement les « enhancers » actifs occupés par H2A.Z à ceux non-occupés, afin de mettre en évidence sa relation à l'environnement chromatinien. Étonnamment, il est apparu qu'H2A.Z n'introduit pas une organisation unique ou particulière des nucléosomes aux « enhancers ». Par ailleurs, nos résultats montrent qu'H2A.Z joue un rôle crucial dans la régulation de l'activité des « enhancers ». En effet, nous avons observé que suite à leur activation par l'E2, les « enhancers » occupés par H2A.Z recrutent l'ARN polymérase II (ARNPII) et produisent un transcrit. Ils recrutent également RAD21, une composante du complexe cohésine impliqué, entre autres, dans des interactions chromosomiques entre « enhancers » et promoteurs. De façon intéressante, nous avons mis en évidence que ces trois évènements, connus pour leur importance dans l'activité des « enhancers », sont dépendants d'H2A.Z. Ainsi, la présence d'H2A.Z à l' « enhancer » pourrait permettre un environnement chromatinien favorable à trois aspects clés de l'activité des « enhancers » : la présence de l'ARNPII, la transcription et la formation d'une boucle d'interaction, et par la suite, de par la proximité « enhancer »-promoteur ainsi créée, augmenter la concentration d'ARNPII à proximité du promoteur favorisant l'expression du gène cible. Un tel rôle central d'H2A.Z dans l'activité d' « enhancers » spécifiques pourrait participer à un mécanisme épigénétique ciblé de la régulation de l'expression des gènes.