你不知道的减数分裂中的秘密——轴蛋白ASY1/3对同源多倍体减数

2020-05-08  本文已影响0人  嗒嘀嗒嗒嘀嗒嘀嘀

本文主要介绍一篇名为Derived alleles of two axis proteins affect meiotic traits in autotetraploid Arabidopsis arenosa的文章，也依靠其他一些文章作背景支撑。

该实验选择拟南芥的近亲Arabidopsis arenosa为实验材料，是因为该材料具有二倍体和同源四倍体种群，想要揭开多倍体种群能够克服进化的种种挑战，最终成功稳定地产生后代的秘密。

文中提到，多倍体中的减数分裂可分为两种，一种是异源多倍体的减数分裂，另一种是同源多倍体的减数分裂。作者认为异源多倍体因为有父母双方基因组的差异，所以在减数分裂形成二价体时比同源多倍体要容易，而同源多倍体因为它的第二套基因组来源于全基因组复制(WGD)，相比原本的同源染色体复制过来的染色体要比其有更高的相似性，这很容易导致二价体形成是的紊乱。再加之同源染色体重组的发生，二价体形成的紊乱将加剧，而且理论上，同个染色体的复制偏偏又会加剧染色体重组的发生，正所谓乱上加乱。之前研究表明，减数分裂稳定的同源多倍体通常CO率很低，新产生多倍体的生育能力与二倍体的CO率呈负相关，而且进化出来的同源四倍体的COs通常发生在染色体末端。

本文提到的两个基因到底是什么基因呢？ASY1与ASY3(ASYNAPSIS, 在减数分裂中synasis是指一对同源染色体的联会)都是植物中的axis protein，他们在酵母中的同源物蛋白分别是Hop1和Red1，都是两个axis protein。Axis protein是细胞axes中的结构蛋白，那么axes是什么呢？文中是这样描述的：“The axes are protein structures that form along the lengths of replicated chromosomes in meiotic prophase I and are essential for chromosome pairing, synapsis, and homologous recombination”。意思是说这个axes是在减数分裂前期I沿着整个由复制生成的姐妹染色体形成的蛋白结构，该蛋白结构对染色体的配对、联会和同源重组至关重要。看了这样的描述，难免会有些疑问，这种axes是随染色体复制一起产生的还是只在前期产生的姐妹染色单体的染色体壳？只附着与新复制产生的姐妹染色单体？更多的还是不信。

书归正传，研究表明，酵母中的Hop1和Red1是可以互作的，他们共同发挥功能，使得染色体在减数分裂染色体修复时更优先选择同源染色体，而不是其姐妹染色单体。巧的是，ASY1与ASY3两种蛋白也可以相互作用，并且ASY1或ASY3突变的植株都表现出同源染色体联会缺陷、低CO率、高单价体率及几乎不育。于是就选择了这两个基因作为研究对象。

2012年2月发表在PLOS Genetic上一篇名为Inter-Homolog Crossing-Over and Synapsis in Arabidopsis Meiosis Are Dependent on the Chromosome Axis Protein AtASY3的文章中提到，减数分裂中交叉互换更倾向于在同源染色体之间产生，该现象被称为IHR(inter-homolog recombination)。而Hop1和Red1蛋白在这个过程中起着关键作用。对应的，拟南芥中的ASY1与ASY3也发挥着这样的作用，两个轴蛋白协同发挥作用。ASY1是在植物中研究最为广泛的减数分裂染色体轴蛋白(水稻中是PAIR2)，它虽不属于联会复合体(SC)的组成部分，但却随着SC的出现而出现，随着其消失而消失，在偶线期和粗线期的时候更是几乎扩展到整个染色体长度(端粒除外)。没有了ASY1，DMC1重组酶便无法在染色体上稳定结合，从而破坏同源重组。ASY3的缺失会导致轴蛋白SC(synaptonemal complex)结构不连续，同时也会破坏ASY1的轴向组织结构。

ASY1的形成与消失，依次为细线期早期、细线期后期、偶线期、粗线期、双线期早期、双线期晚期、终变期、四分体时期 [摘自文章Asy1, a protein required for meiotic chromosome synapsis, localizes to axis-associated chromatin in Arabidopsis and Brassica.]

其实他们这次研究的内容比较简单(当然减数分裂相关的实验是很难的)，而且有用的结果也并不是很多，尤其很多是还是细胞学染色观察的实验结果，难免会让人觉得可信度不是很高。但是，这样的文章怎么也能发到PNAS上呢？

研究范围锁定在了ASY1与ASY3对同源四倍体减数分裂的影响，研究内容进一步展开。首先，进化完成的四倍体植株与二倍体植株中的ASY1或ASY3基因有何不同呢（文中，二倍体植株中原有的基因是“ancestral gene”，进化完成的四倍体植株中的差异基因是“derived gene”）？通过Short read alignment分析发现，两种ASY1基因有5个氨基酸的不同，而两种ASY3基因有18个氨基酸的不同。此外，在对ASY3基因的cDNA测序结果中发现了额外的五个氨基酸不同，并且有26个氨基酸的序列在Short read alignment中根本没有出现(Short read alignment大体上就是进行重测序，用重测序的结果数据去比对参考基因组的分析方式，具体分析步骤比较复杂，可参考文章Selection on Meiosis Genes in Diploid and Tetraploid Arabidopsis arenosa)。对于这26个氨基酸的序列，两种ASY3基因有两个氨基酸的差异。也正是这两个氨基酸的差异导致四倍体植株的ASY3可以被预测到有两个可被SUMO化的位点，二倍体中却一个都没有。有趣的是，这一点与酵母中Red1在减数分裂中会被SUMO化不谋而和。

所以，ASY3可以被SUMO化意味着什么呢？
首先，SUMO化是怎样的一种生化过程，具有怎样的功能呢？Wikipedia上写道，SUMO(Small Ubiquitin-like Modifier) protein类似于泛素蛋白ubiquitin，而SUMO化，即所谓的SUMOylation则类似于泛素化的酶级联反应。一个目标蛋白的SUMO化是这样完成的：①首先这个目标蛋白要有一个赖氨酸受体；②SUMO蛋白C末端最后四个氨基酸去除，露出甘氨酸残基；③甘氨酸残基与受体赖氨酸形成异肽键，将SUMO蛋白连接在目标蛋白上。SUMO化与泛素化不同的是，SUMO化的作用不是介导蛋白质的降解，通常它会影响目标蛋白的稳定性、核-胞质转运即亚细胞定位和改变与之结合的伴侣蛋白。而且，被SUMO化的蛋白可以在deSUMOylating酶的作用下迅速逆转。由此，SUMO蛋白就像是一种分子胶，在DNA损伤修复反应中发挥着重要的作用。
本文的参考文章Synaptonemal complex formation and meiotic checkpoint signaling are linked to the lateral element protein Red1很有意思，讲述了酵母中Red1基因SUMO化对SC(synaptonemal complex)形成的影响。酵母中，Red1是一种SC的组成蛋白。研究者通过实验表明Red1的SUMO化程度在减数分裂SC形成时急剧上升，而且SUMO化的Red1可以与Zip1结合，加之SC结构还有些其他的SUMO化位点，可能正是他们的结合，像是衣服的拉链有了拉链头，从而促成了SC的形成。

针对检测两种基因对减数分裂染色体行为的影响，研究者们自己有一套良方。 图1 染色体行为的标记方式，以及ASY1染色体行为统计结果

他们用四种符号分别标记 只有一点位置产生CO的、CO程度介于中间的、CO承度十分紧密的和同源染色体产生环装“ring”结构的染色体配对。“MV”即multivalent，表示四个染色体形成的多价体。“T”和“D”分别代表ASY1的两种不同基因型“Tetraploid” 和“Deploid”。由此结果可见，derived ASY1对于在同源四倍体减数分裂时期可以减少CO的程度，而减少CO可能就是同源四倍体适应于生存挑战的法则之一。

文中并没有对ASY3做如此详细的研究，却是对ASY1、ASY3两者的互作关系作了评估。 图2 ASY1 & ASY3对染色体行为影响的遗传统计结果

这个结果表明了ASY1与ASY3对减数分裂时期染色体行为的影响是一种叠加效应，不是纯粹的上下游关系，有可能是相互促进的关系。而且，显然ASY1对CO程度减小的影响要比ASY3大。

这样还不行，研究员们有更加厉害的武器。他们利用three-dimensional structured illumination microscopy (3D-SIM) 对ASY1 & ASY3的四种不同组合植株的第一次减数分裂前期I的染色体进行了免疫细胞学实验的观察。这不仅是为了炫技，还因为之前观察的都是中期细胞，而CO的发生其实是前期的事，在中期看难免会看不到细节。 图3 ASY1 & ASY3不同组合植株第一次减数分裂粗线期免疫细胞学实验3D-SIM观察统计结果

研究人员用ZYP1的抗体标记SC(synaptonemal complex)，即联会丝复合体。这个抗体也可以用来测量染色体的物理长度。用HEI10的抗体标记产生CO的位点。图中用黄色框标出了发生SPS(synaptic partner switch)的位点，这是四倍体细胞中会发生的多个同源染色体发生交叉互换的位置，对应的可能是之前的“MV(multivalent)”的染色体。可能是由于技术难度的问题，此项统计的samples不多，每一种仅4-5个样品，而“DD”的组合更是少到了仅两个可用的样品，因为另外两个样品严格来讲是不可用的。但其他的三种组合已经可以说明一些问题了，“DT”组合比“TT”组合有着更长的联会丝，有着更多的SPS位点。这表明，在ASY3基因型为“T”的背景下，“T”型ASY1能够缩短联会丝长度，减少多个染色体联会的位点。

3D-SIM 3D-SIM简单结构图

“DD”组合的表型不稳定，有的植株第一次减数分裂中期大部分都是单价体，有的植株与其他“DD”型植株相比单价体、多价体并没有什么明显差别，但其粗线期的联会现象却很少，也就是说这个缺陷在粗线期到中期这个阶段被恢复了。总之，“DD”基因型的同源四倍体植株的表型很不稳定。作者猜测，可能正是因为ASY1和ASY3都是“D”型的才导致染色体CO形成的不稳定。

总之，作者发现已经完成进化的同源四倍体植株中基因型为“T”的ASY1和ASY3基因对同源四倍体减数分裂的稳定性起着重要的作用：①减少多价体形成概率；②中期杆状二价体数量的增加可能反映了染色体浓缩程度增加；③减少了染色体轴的长度。

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