联会复合体的组成、功能及遗传控制.pdf

HEREDITAS Beijing 2012 年 2 月 34 2 167 176 ISSN 0253 9772 综 述 收稿日期 2011 06 13 修回日期 2011 08 15 基金项目 国家重点基础研究发展规划项目 973 计划 编号 2011CB944600 资助 作者简介 谢文军 硕士研究生 专业方向 作物遗传育种 E mail xie wen jun 通讯作者 金危危 教授 博士生导师 研究方向 分子细胞遗传学 Tel 010 62734909 E mail weiweijin 网络出版时间 2011 12 8 8 11 55 URL DOI 10 3724 SP J 1005 2012 00167 联会复合体的组成 功能及遗传控制 谢文军 1 史典义1 蔡泽熙1 陈晓阳2 金危危1 1 中国农业大学国家玉米改良中心 农业部作物遗传改良基因组研究重点实验室 北京 100193 2 湖南农业大学农学院 长沙 410128 摘要 在多数有性生殖生物中 减数分裂第一次分裂前期同源染色体间会形成一种复杂的超级蛋白结构 联 会复合体 Synaptonemal complex SC 该结构与同源染色体间的配对 联会 交换 分离等过程密切相关 若 其出现异常 将可导致性母细胞大量凋亡 宏观上即表现为生物个体不育 近年来 该结构已成为减数分裂研 究领域的一个热点 但其控制机理至今所知还十分有限 文章对联会复合体的组成 功能及其遗传控制等情况 进行概述 并对其未来的研究进行探讨和展望 关键词 联会复合体 同源匹配 配对 重组 减数分裂 不育 Organization function and genetic controlling of synaptonemal complex XIE Wen Jun1 SHI Dian Yi1 CAI Ze Xi1 CHEN Xiao Yang2 JIN Wei Wei1 1 National Maize Improvement Center of China Key Laboratory of Crop Genetic Improvement and Genome of Ministry of Agriculture China Agricultural University Beijing 100193 China 2 College of Agriculture Hunan Agricultural University Changsha 410128 China Abstract The synaptonemal complex SC is a super protein lattice that connects paired homologous chromosomes in most meiotic systems This special organization is related to the meiosis processes such as homologous chromosomes pair ing synapsis recombination segregation etc Flaws of it would lead the meiocytes to apoptosis which contributes to steril ity In recent years the study of this complex has been a hotspot in meiosis research but little was known about its exact mechanism This review summarized the organization function and genetics of this complex with recent advances Pros pects of its further study were also briefly discussed Keywords synaptonemal complex alignment pairing recombination meiosis sterility 联会复合体 Synaptonemal complex SC 是减数 分裂前期 同源染色体间由各蛋白组分聚集而成的 超级复合结构 这种复合结构是特异 非永久性的 并与染色体的配对 联会 交换和分离等过程密切 168 HEREDITAS Beijing 2012 第 34 卷 相关 它在偶线期开始组装 粗线期趋于成熟并发 挥功能 而从双线期开始解体 若其出现异常 将直 接导致减数分裂不能正常进行甚至不育 1956 年 Moses 和 Fawcett蝲用电镜观察蛄 Cambaroides dauricus 家鸽 Columba livia domes tica 及人的初级精母细胞超薄切片时 最先发现了 这种结构 并将其定名为 SC 1 3 到目前为止 绝大 多数观察过的真核生物性母细胞成熟过程中都有 SC 出现 对该结构进行研究 不但有助于更深入了 解减数分裂中染色质交换机制 还能促进各种不育 机理被更加充分认识和利用 本文将对 SC 的组成 功能 遗传控制等情况进行概述 并对其未来的研 究进行探讨和展望 1 SC 的组成 SC 结构在动植物中基本相同 成熟的 SC 主要 由位于两侧的类似铁轨状的侧向组分 Lateral ele ment LE 和位于中间区域的中央组分 Central ele ment CE 及连接它们的横向细丝 Transverse fila ment TF 构成 其中 刚刚开始装配的未成熟 LE 又 被称作轴向组分 Axial element AE 广义上 SC 组 分还包括其上的重组酶 解旋酶等成分 电镜下观 察 染色质纤维以袢环形式放射排列在 SC 两侧 图 1 两条 LE 电子密度很高 之间为中央区域 在电 镜下是明亮区 整个 SC 的宽度一般为 100 nm 左右 图 2 图 1 SC 立体结构模式图 引自 Page and Hawley 2004 4 图 2 显微镜下 LE 与 CE 引自 Golubovskaya 等 1993 5 图 3 SC 俯视图 引自 Boer and Heyting 2006 6 第2期 谢文军等 联会复合体的组成 功能及遗传控制 169 在磷钨酸染色的 SC 中央 可看到圆形或椭圆 形的重组节 Recombination nodule RN 它与同源 染色体间交换发生有关 上面有交换所需的酶 图 3 RN 最早由 Moens 和 Gillies 等 7 在研究百合和 真菌的 SC 时发现 后来 Carpenter 8 在研究果蝇卵 母细胞时 发现其与果蝇的重组频率和分布位置明 显相关 因而将其命名为 RN 在以后的研究中 人 们在很多其他生物中也观察到了 RN 发现 RN 在各 种生物中都具有类似的形态 是一种附着于偶线期 及粗线期 SC 中央组分之上 圆形或椭圆形的结构 7 1 1 蛋白组分 早期对 SC 的电镜组织化学研究表明 SC 中 LE 主要为富含精氨酸的碱性蛋白 同时含有 RNA 和少 量 DNA CE 则主要由非组蛋白构成 随后 Heyting 等 9 10 采用间接荧光免疫的方法 确定了 SC 端部含 有肌动蛋白 但未能证实肌球蛋白是否存在 Martino 等 11 用抗肌球蛋白和抗肌动蛋白的抗体对 鼠类 SC 进行免疫细胞学标记 发现肌球蛋白和肌 动蛋白都是 SC 的组分 且肌球蛋白主要处于 SC 的 中央区域 另外 Moens 等 12 在鸡的 SC 中还发现 有拓扑异构酶 并认为它不仅对 SC 结构的完整 性有作用 还在减数分裂中发挥一定的催化功能 1 1 1 横向细丝 至目前为止 TF 蛋白已在许多物种中被鉴别出 来 如哺乳动物中 SYCP1 酵母 ZIP1 果蝇 C 3 G 线虫 SYP 1 SYP 2 SYP 3 水稻中 ZEP1 拟南芥 中 ZYP1a ZYP1b 玉米中 ZYP1 等 其突出特点是 两端都是带有球状结构域的卷曲螺旋 Coiled coil 结 构 C 端有 S TPXX 基序 能与 LE 连接 可锚定 DNA 袢环 而 N 端在中央区域内的一个狭长地带反 向重叠在一起 图 3 与一些中央组分一起构成 SC 内侧 在联会过程中 TF 蛋白本身的结构特征比其 催化功能更重要 可能在多数物种中 TF 虽然不大 可能直接干涉交换这一进程 但其能够创造有利于 交叉形成的先决条件 6 线虫 SYP 1 和 SYP 2 在组装和发挥功能过程中 相互依赖 它们之间任何一个的基因发生突变 另 外一个组分也将不能被检测到 后来才发现的 SYP 3 与 SYP 1 和 SYP 2 具有相同的次级结构 且 都位于 SC 中间区域 三者中缺少了任何一个组分 其余两个组分都不能装载到SC上 但SYP 3并不直 接与前两者结合在一起构成次级结构 13 Colaiacovo 等 14 15 曾猜测 SYP 1 和 SYP 2 结合在一起 共同构 成线虫的 TF 而这两种蛋白组装到同源染色体之间 需要 LE 的配合 如果编码 LE 的基因 如 HIM 3 和 Rec8 任何一个发生突变都将阻止 SYP 1 SYP 2 蛋 白的装载 ZYP1 是拟南芥上 SC 的横向细丝蛋白 若 ZYP1 缺失 SC 则不能正常形成 且减数分裂前期 进程也推迟 该基因在拟南芥中包含两个功能冗余 的拷贝 Zyp1a 和 Zyp1b 其序列具有高度的相似性 时空表达也完全相同 16 17 Wang 等 18 克隆了 Zyp1 在水稻中的同源基因 Zep1 作者分别选取以 pair2 和 mer3 为代表的配对和重组缺失突变体对 Zep1 基 因进行研究 发现 ZEP1 在这两个突变体中不能正 常定位 SC 形成受阻遏 但仍能观察到交叉的形成 且数目增加 说明水稻中交叉的形成并不依赖于联 会事件 而且 在后面的小孢子早期 当染色体解浓 缩时 能再次观察到 ZEP1 蛋白在染色体上的装载 说明其可能还有别的生物学功能 很多物种中都有 关于TF蛋白在早期重组中起作用的报道 现普遍认 为 TF 蛋白对于重组蛋白发挥功能具有促进作用 1 1 2 中央组分 CE 在电镜下是一条仅次于 AE LE 的亮线 这 条亮线可能是由于 TF 的 N 端反向重叠交叉在一起 形成的高电子密度结构 但也有研究证明该结构上 还包含另外一些组分 如鼠类中的 SYCE1 SYCE2 SYCE3 TEX12 以及果蝇中的 CONA 等蛋白 Schramm 等 19 报道他们在小鼠中鉴定出一种叫做 SYCE3 的组分 这种组分被定位在 CE 上面 其序 列在哺乳动物中是高度保守的 在敲除了 SYCE3 基 因的小鼠中 雌雄个体均出现了不育 电镜观察发 现 其联会过程被阻遏 重组过程也受到明显影响 以 MLH1 为标志的重组位点完全缺失 在 SC 组装 过程中 SYCE3的装载处于TF蛋白SYCP1之后 而 在其余的已经报道过的 CE 特异组分之前 从而作 者推测 SYCE3 有促进其余 CE 组分装载的作用 然而 总体来说 CE 方面的研究还相对薄弱 急待加强 170 HEREDITAS Beijing 2012 第 34 卷 1 1 3 侧向组分 LE 构成了 SC 的基本骨架 图 2 但 LE 的构成 也是 SC 最为复杂的部分 涉及到很多蛋白之间的 协调组装 如浓缩蛋白 Condensins 黏合蛋白 Cohesins 非黏合蛋白等 Non cohesins 等 但在阐 述时 一般将非黏合蛋白作为 AE LE 的主要构成部 分 酵母中 Hop1 拟南芥中 Asy1 水稻中 Pair2 Pair3 等都是编码相应物种内 AE LE 中非黏合蛋白 的结构基因 哺乳动物中 SYCP2 和 SYCP3 也是 AE LE 的重要组分 在 SYCP3 基因被敲除的雄性小 鼠中 SC 无法形成 精母细胞因无法联会而大量凋 亡 导致雄性不育 而且 SYCP3 缺失 会影响核内 DNA 重组修复蛋白 RAD51 和 RPA 的分布 20 利用 基因芯片技术 日本学者 21 在鼠类动物中还发现了 物种特异表达的类似 SYCP3 蛋白 取名 Xlr6 蛋白 但跟人类 SYCP3 基因的单拷贝情况不同 控制这种 蛋白合成的基因属于 Xlr 基因家族 在鼠类基因组 中含有 50 75 个拷贝 进入减数分裂前期 这种蛋 白在生殖细胞的细胞核内大量合成 并向 XY 染色 联体的部分联会处聚集 而在常染色体的 SC 上 除 了极少的因错配而发生部分联会的染色体间 均没有 发现这种蛋白 粗线期过后 这种蛋白逐渐向核仁靠 拢聚集 推测可能跟联会后的性染色体沉默有关 22 另外一组在 AE LE 中扮演重要角色的是黏合蛋 白 它们汇聚在一起形成多聚复合体 对姊妹染色 单体的黏合发挥作用 其中主要包括染色体结构维 持 Structural maintenance of chromosomes SMC 蛋 白 SMC1 SMC3 和姊妹染色单体黏合蛋白 Sister chromatid cohesion SCC SCC1 SCC3 等系列 许 多生物中 MCD1 SCC1 Rad21 是有丝分裂中黏合蛋 白复合体的亚基 而在减数分裂中 它们被其直系 同源蛋白 REC8 大量取代 成为了 SC 的一部分 23 Stomalin3 STAG3 SA3 是哺乳动物中发现的一个 SC 蛋白 它是酵母 SCC3 REC11 的同源蛋白 在粗线 期阶段 STAG3 以一种类似黏合的方式促进配对和 维持联会稳定 24 26 水稻中 黏合蛋白主要包括 4 种组分 其中之一就是 REC8 在 rec8 突变体中 同 源配对和端粒花束异常 动粒在第一次减数分裂中 就被拉向两极 姊妹染色单体随之分离 并且 PAIR2 PAIR3 MER3 ZEP1 的装载都依赖 REC8 而 REC8 的装载却不依赖它们之中的任一组分 27 拟南芥中有 4 个 SYN 蛋白 Synapsin III 其中 SYN1 是 REC8 的同源蛋白 SYN2 SYN4 是 SCC1 的直系 同源蛋白 在有丝分裂中发挥作用 而 SYN3 可能 不仅作为黏合蛋白的一部分发挥作用 在控制 rDNA 的结构及转录和加工进程中也扮演重要角色 28 玉 米中 AFD1 蛋白作为侧向组分之一 其实也是一种 黏合蛋白 在该基因发生突变的 afd1 个体中 第一 次减数分裂被一次有丝分裂所取代 在拟粗线期 虽然有部分 SC 形成 但染色体并不配对 而在拟双 线期 两组单价体平均地分配到两个子细胞中 此 外 Wang 等 29 报道了水稻中发现的 SGO1 Shugo shin1 基因编码的也是一种黏合蛋白 该黏合蛋白 附着在着丝粒上 保护姊妹染色单体在减数分裂过 程中不被分离酶所拆开 在该基因的突变体中 SC 的装配和维持都受到影响 除此之外 一些浓缩蛋白 如 SMC2 CAP E SMC2 CAP C CAP D2 CAP G CAP H 等 也被 归入 AE LE 组分中 这些组分形成的浓缩蛋白复合 体 有促进 AE LE 和染色体个性化浓缩的作用 从 而使每对染色体表现出异于其余各对染色体的形态 特征 在浓缩蛋白缺失的突变体中 REC8 仍能正常 定位 因而认为浓缩蛋白和黏合蛋白各自相互独立 的发挥作用 4 但与此同时 依赖 DMC1 途径的双 链断裂 Double strand break DSB 不能产生 后续的 同源配对也受到影响 30 1 1 4 其他成分 Moens 等 12 发现解旋酶也是 SC 的组成成分 解 旋酶的缺失将导致布伦氏综合征 Bloom s synclrome BS BS 细胞中姊妹染色单体交换的频率增加 纯 合突变的男性个体不但免疫系统出现问题 还更易 遭受癌症的侵袭 而且 由于精母细胞中染色体异 常 导致男性不育 荧光免疫实验显示 解旋酶会在 SC 上突触核心 Synapsed cores 积累 频繁地和重组 酶 RAD51 和 DMC1 结合在一起 最终形成一个 BLM 点 而 BLM 蛋白可能在重组过程中起作用 31 也有研究报道 SC 的形成跟泛素化作用及 Tex Testis expressed protein 蛋白有关 如小鼠中有 一个 Tex19 蛋白 可与泛素连接酶 Ubr2 一起 促进 性母细胞中 SC 稳定 缺乏 Tex19 蛋白的突变个体 中 仅有 48 的精母细胞正常联会 LE 组分 SYCP2 第2期 谢文军等 联会复合体的组成 功能及遗传控制 171 和 TF 组分 SYCP1 中 只有前者能装载 32 Espagne 等 33 还 在真 菌 中鉴 定 出 一 种称 作 Sme4 PaMe4 的蛋白 这种蛋白在子囊菌门中是高 度保守的 含有一个巨大的卷曲螺旋结构域 在真 菌的生殖周期中 这种蛋白扮演了两种角色 首先 作为 SC 的组分将同源 AE LE 联系在一起 其次是 作为纺锤丝极体 SPB 的成分 突变体中 重组事件 减少 减数分裂后核的移动困难 而在 SC 组装过程 中 Sme4对于重组复合物 包含Rad51 Mer3和Msh4 从 AE LE 转移到 SC 中央区域也是很重要的 1 2 SC 的形成特征 一般来说 SC 的形成过程在不同的物种中并不 相同 像家蚕这样具有短染色体的物种 其 SC 形成 通常始于端粒和核膜内面的接触点 而后顺着染色 体纵轴延伸到其他区域 而在大多数具有长染色体 的物种中 如麦类作物 其联会可能始于同源染色 体间相互密切接触的一些中间位点 多起点配对 这一规律还促成了一个有趣的现象 人的偶线期卵 母细胞中 SC 较长 是精母细胞中的两倍 因而在 卵母细胞中有大量中间位置配对起始区 而在精母 细胞中却仍只集中在端粒区起始配对 另外 即使 在同一个细胞中 各对染色体的联会及 SC 的形成 也并不同步 在哺乳动物中 性染色体间 SC 的形成 总是比常染色体晚 SC 的形成通常标志着同源染色 体间联会的顺利实现 其解体则与同源染色体之间 逐步分离有关 34 很久以来 研究者们就知道正常 SC 两端闭合 地驻留在核膜上 但这种接触的性质和功能还不清 楚 Alsheimer 等 35 的研究证明生殖细胞核中所表达 的核纤丝蛋白与正常体细胞中有差异 出现了少数 只在生殖细胞核中表达的类型 其中有一个取名叫 laminC2 的成分 是一个遍布在生殖细胞核膜上的 非连续成分 它与 SC 两端直接接触 推测 laminC2 可能只是作为更大层次上的复合体的一部分而直接 与 SC 相连并发生作用 2 SC 的功能 2 1 SC 功能假说 很长一段时间 人们都认为 SC 能将同源染色 体组织在一起 使得伸入 SC 的 DNA 之间产生重组 但已有实验证明不但 SC 的形成晚于基因重组启动 而且在基因突变不能形成 SC 的酵母中 同源染色 体间照样可以发生交换 直到如今 研究者们对 SC 功能的定性都还说法不一 概括起来 可能主要有 以下几种 其一 联会时 SC 作为二价体的轴心 其作用 类似于染色体骨架 或轴 及细胞核中的核骨架 其二 SC 参与了同源染色体间的联会和交换 为染色体的重组提供了结构基础 如横向细丝为重 组酶提供承载场所 为配对纠错等 而且 一般认为 位于 SC 上的 RN 与交换形成有关 其三 SC 与同源染色体间交换过程的完成有关 最近有研究显示 芽殖酵母 SC 的蛋白在相互 作用过程中 小分子的泛素修饰剂类似物 SUMO 起到了关键作用 在 SUMO 的修饰性变化下 分布 在细胞核内的 SC 并不完全同质化 各个 SC 之间有 微小的结构和进程差异 而这种异质化 允许 SC 在 减数分裂前期对各对不同的染色体的结构和功能行 使不同的调控 36 2 2 SC 与个体不育的关系 由于 SC 是一个超级复合系统 其中的某一组 分变化 都会或多或少对系统稳定及功能产生影响 因此在雌雄配子发育中发挥着不可替代的重要作 用 日本学者 37 研究报告显示 人类 SYCP3 基因的 某些碱基突变 与不明病因的女性不孕不育有显著 的相关性 Yuan 等 20 在研究鼠科类动物 SC 侧向组 分 SYCP3 时发现 SYCP3 基因的敲除 会使雄性生 殖细胞中 SC 无法形成 导致生殖细胞停留在减数 分裂 I的偶线期 而无法形成配子 最终导致雄性不 育 而雌性敲除个体虽然后代数目有轻微减少 但 育性基本正常 在高等植物中也有很多类似的情况 如玉米中 有一个经典的 as1 asynaptic1 突变体 该基因还有待 克隆 这个突变材料的特点可归结为 SC 的异常 粗 线期 其同源染色体之间会出现部分不联会区域 形成较大区域的 空泡 Bubble 38 该突变性状符合 经典单基因遗传规律 其配子田间表现雄穗不散粉 花粉畸形或部分畸形 而雌性配子育性基本正常 由于 SC 在雌雄配子发育中都发挥着不可替代的作 172 HEREDITAS Beijing 2012 第 34 卷 用 其功能的缺失为什么只导致雄配子的形成过程 受阻 而对雌配子发育的影响却非常有限便成为又 一个研究难题 在研究其他一些减数分裂突变基因时 也出现了类似的状况 其具体原因目前还所知甚少 2 3 SC 与细胞凋亡的关系 近年来对细胞凋亡 Apoptosis 理论的研究为我 们解释雌雄个体的育性差异打开了一个突破口 细 胞有一整套网络来检测自身的生物代谢过程及各种 功能是否处于可控正常域内 如果正常 那么这套 系统处于沉默状态 如果在某些检验点 Checkpoint 出现了异常 将及时被这套系统检测到 从而触发 细胞的程序性自杀死亡 消灭病变的细胞 阻止异 常的进一步扩散 在肿瘤研究中 细胞凋亡已研究得比较深入 减数分裂相关的检验点研究却还方兴未艾 尽管如 此 在酵母 线虫 果蝇及少数动物中也已有一些 相关报导 Yuan 等 20 在研究鼠科类动物 SC 的 LE 组分 SYCP3 时 虽然不清楚为什么 SYCP3 敲除只 导致雄性不育 而雌性正常 但他们当时就曾猜测 SYCP3 组分的缺失 并不是导致雄性生殖细胞在粗 线期时死亡的直接原因 而只是由于这种组分的异 常缺失 激活了细胞自生检测系统的某一个或几个 检验点 从而诱导了细胞凋亡 细胞凋亡中的某些 效应成分 在雌雄配子中是区别表达的 Hunt 等 39 40 通过研究小鼠发现 在控制减数分裂精确度方面 雌性比雄性有显著的低效性 这也是为什么人的非 整倍体胎儿 大多数是由卵细胞染色体分离错误造 成的 41 Jaramillo Lambert 等 42 以线虫 C elegans 为材料 系统地研究了细胞凋亡在雌雄配子间的差 异 在线虫中 有一个细胞凋亡途径为 43 ELG 1CED 9CED 3CED 4 Apoptosis BH3 only Bcl 2 Apaf 1 caspase ELG 1CED 9CED 3CED 4 Apoptosis BH3 only Bcl 2 Apaf 1 caspase 他们采用了电离辐射结合敲除 SC 相关基因的 方法 发现当细胞的检测点异常信号传至 CED 3 时 雌雄生殖细胞的信号接收反应出现了差异 从而导 致雄性生殖细胞死亡 而雌性生殖细胞不死亡 更 深层次上揭示了雌性生殖细胞的突变频率总是高于 雄性生殖细胞的原因 传统的观点认为植物减数分裂过程不具有检测 点机制 但是越来越多的研究挑战了这一观点 并 认为检测点机制对于育种生产实践具有重要指导意 义 44 Pawlowski 等 45 在研究玉米 AM1 AMEIOTIC1 基因功能时 发现 AM1 不但能启动减数分裂 调控 有丝分裂与减数分裂的转换 它可能还有下游的次 级功能 在一些 am1 突变体中 玉米个体能通过细 线期 偶线期检验点 阻遏已进入减数分裂 I 前期的 性母细胞继续发育 抑制变异的遗传 3 SC 形成和维持的遗传控制 SC 蛋白组分的合成受众多基因控制 但目前的 研究大多还集中于对一些结构基因的克隆上 表 1 而对控制这些基因特异表达的上下游调控网络研究 还不够深入 Cande 实验室 45 在研究玉米 AM1 基因 功能时发现 AM1 的表达能在植物中特异地启动减 数分裂 在很多 am1 突变体中 即将进入减数分裂 的性细胞都转变了发育方向 变成了有丝分裂 此 外 证据还显示 几乎所有的减数分裂进程都需要 AM1 参与 包括减数分裂中下游特异基因的表达 染色体结构的建立 端粒的特异行为 重组 配对 联会等过程 以及特异的细胞骨架的建立 前面所 述的对 SGO1 蛋白的研究也发现 SGO1 在着丝粒处 的装配只受 AM1 调控 而与其余的 REC8 PAIR2 MER3 ZEP1 等减数分裂蛋白均无关系 29 3 1 配对和联会的遗传控制 减数分裂中 同源染色体间的识别是首先需要 解决的问题之一 同源搜寻是指同源染色体间在同 源配对之前相互识别的过程 此后 同源染色体之 间 开 始 匹 配 Alignment 配 对 Pairing 联 会 Synapsis 有研究显示真核生物中 同源染色体之 间的识别也跟 DNA非编码区的一些片段 尤其是基 于 AT 碱基的短基序有关 46 虽然减数分裂的配对 和联会在时间和机理上都是两个不同的过程 但两 个过程联系紧密 47 很难拆分 为了解线虫染色体配对和 SC 装配的协调机制 Zastrow 等 48 集中研究了减数分裂控制蛋白 HAL 2 结果显示 HAL 2 能限制 SC 中央区域蛋白的装载 只有当正确的同源染色体配对时 TF 才能装配 hal 2 突变体中 TF 蛋白 SYP 1 被错误的装载到未 配对的非同源染色体之间 而 htp 1 HTP 1 是 AE LE 上 HIM 3 的直系同源蛋白 突变体中 SYP 1 也在非 同源染色体之间装配 形成了不正常的 SC 在 第2期 谢文军等 联会复合体的组成 功能及遗传控制 173 表 1 几种模式生物中已知部分 SC 成分 SC 结构组分 玉米 人 鼠 拟南芥 水稻 线虫 酵母 果蝇 雌性 AE LE ASY1 SYCP2 3 SYCP2 3 ASY1 PAIR2 3 MER3 HIM 3 HTP 1 2 3 HOP1 ZIP2 3 4 5 SUMO RED1 ORD AFD1 REC8 STAG3 REC8 STAG3 SYN1 REC8 SGO1 REC8 REC8 11 SCC3 C 2 M CE SYCE1 2 3 TEX12 CONA TF ZYP1 SYCP1 SYCP1 ZYP1a bZEP1 SYP 1 2 3 ZIP1 C 3 G hal 2 chk 2 和 hal 2 htp 1 等双突变体中 也观察到 和 hal 2单突变体中相同的情况 即 SYP 1装载到非 配对的染色体间 植物中 Pam1 Pair1 Pair2 Pair3 Ph1 和 Phs1 等是研究得比较多的几个和配对相关的 基因 其中 Pam1 是在玉米中发现的与端粒花束相 关的基因 突变体中花束结构的形成和同源染色体 间的配对都会出现问题 5 Ph1 能抑制只有部分同源 性的染色体配对 保证同源染色体配对 联会 49 突变体 phs1 中缺少了 MRN 复合体蛋白 RAD50 和 MRE11 表现出大量的染色体配对受损及联会消 失 除此之外 有证据显示 Phs1 能调控 RAD50 从 细胞质运输到细胞核 50 果蝇中 只有雌性正常个体才有 SC 形成 当其 DNA 修复基因发生突变 虽然仍能联会 但不能经 历重组 而线虫中也有类似现象 即在无重组的情 况下联会 植物中 联会异常分为两种 即联会受阻 型 Asynapsis 和联会不能正常保持型 Desynapsis 但是分子遗传学鉴定了基因功能的突变体大部分是 前一种类型 如 asy1 zyp1 和 zep1 46 Asy1 是酵母 Hop1 基因在拟南芥中的同源基因 上文提到的 Pair2 也是 Asy1 在水稻中的同源基因 它们都是 SC 侧向组分的一个蛋白 Boden 等鉴定出小麦中 Asy1 的同源基因 TaAsy1 观察到 Ph1 能通过调节 TaAsy1 的表达水平抑制同源染色体配对 这说明 TaAsy1 直 接参与了依赖 Ph1 的同源染色体配对途径 51 3 2 重组相关的遗传控制 减数分裂遗传重组是指同源染色体的非姊妹染 色单体上部分 DNA 片段发生交换导致核酸序列重 新组合及改变的过程 在减数分裂 I 前期的早期 同 源染色体间的非姊妹染色单体相互横跨在一起 形 成交叉 Crossover 随后这样的姊妹染色单体在重 组酶的作用下形成结构更加紧凑的交叉结 Chiasma 交叉首先出现于粗线期 随时间推移 交叉会远离 着丝粒 向染色体末端移动 称为交叉端化 在酵母 减数分裂中 交叉的形成需要 ZMM 蛋白 ZIP1 ZIP2 ZIP3 MSH5 和 MER3 等 同时 ZMM 蛋 白中一部分 ZIP1 ZIP2 ZIP3 等 又是形成成熟 SC 的组分 另一部分在联会时发挥重要作用 52 减数分裂重组过程在整个真核生物中都是保守 的 均由 SPO11 蛋白催化产生 DSB 启动重组 拟 南芥中Spo11基因有3个拷贝 这与酵母中只有一个 Spo11 基因的情况不同 其中两个为减数分裂重组起 始必需 另一个与 DNA 的修复有关 在拟南芥突变 体 Atspo11 1 及 Atspo11 2 中 均表现为不联会现象 且伴随减数分裂重组率的急剧下降 这说明这两个 基因并不冗余 它们均对 DSB 的形成均有促进作 用 53 55 双链断裂修复的早期会产生单链的尾巴 重组酶组分 RAD51 及 DMC1 就位于在其上 56 二 者都是细菌 RECA 蛋白家族的成员 DSB 修复的时 候 它们能聚合到单链 DNA 上 形成核蛋白纤维 拟南芥中 RAD51 蛋白缺失会使染色体配对和联会 完全消失 而不同的是 玉米 rad51 双突变体 rad51A1 和 rad51A2 中却可看到非同源染色体的配 对 联会 57 水稻中 Dmc1 也有两个拷贝 分别为 Dmc1A 和 Dmc1B Deng 等 58 在水稻中对 Dmc1 基 因进行 RNAi 干扰 发现其在同源配对方面还发挥 着重要的作用 总之 不管是 SC 自身组分的合成组装 还是其 整体结构的维持 以及整体环境的维护 都是一个 非常复杂的过程 其具体的遗传控制机理目前还所 知甚少 4 结语与展望 当前 SC 是生殖生物学研究的热点之一 但目 174 HEREDITAS Beijing 2012 第 34 卷 前的研究主要集中在克隆其自身组分相关的结构基 因上 对于 SC 如何组装 成熟 以及后续的网络调 控 时空调控研究还不够深入 虽然一些蛋白组分 已经被鉴定出来 但它们怎样有序的衔接在一起组 成 SC 仍然是迷 而且 已经克隆的这些基因 大多 是通过定点突变或基因芯片等反向遗传学方法得到 通过这些已经克隆的基因寻找不同物种中的同源基 因并非易事 因为尽管 SC 的结构是高度保守的 但 是它的一些组分 如 TF 蛋白 在氨基酸序列水平上 却缺乏保守性 相对而言 重组蛋白相似性反倒要 略高于 SC 结构蛋白 植物中 依赖图位克隆方法鉴 别减数分裂基因就更加困难 横向比较 植物上的 研究也要落后于酵母 线虫和动物 另一方面 由于 电子显微镜分辨率限制 长期以来 很难观察清楚 200 nm 以下的结构 这就对了解 AE LE 及 CE 的组 装规则和各组分的立体构像造成了困难 但最新发 展起来的 3D SIM Three dimensional structured illu mination microscopy 技术 能将分辨率调节至 100 nm 以下 59 这就为探讨 SC 的亚显微结构又迈出了 坚实的一步 随着分子生物学的发展和新的实验方 法的不断引入 特别是性母细胞中转录组差异测序 技术的应用 60 对这类基因的发掘将有望越来越快 速 准确 其相关研究将愈加透彻 参考文献 References 1 Moses MJ A new chromosome structure is revealed Chromosoma 2006 115 3 152 154 2 Benavente R The synaptonemal complex 50 years Chromosoma 2006 115 3 151 3 Carpenter AT Monte Moses and Adelaide Carpenter Duke 1974 1976 Chromosoma 2006 115 3 155 157 4 Page SL Hawley RS The genetics and molecular biology of the synaptonemal complex Annu Rev Cell Dev Biol 2004 20 1 525 558 5 Golubovskaya IN Harper LC Pawlowski WP Schichnes D Cande WZ The pam1 gene is required for meiotic bouquet formation and efficient homologous synapsis in maize Zea mays L Genetics 2002 162 4 1979 1993 6 de Boer E Heyting C The diverse roles of transverse filaments of synaptonemal complexes in meiosis Chro mosoma 2006 115 3 220 234 7 靳全文 王亚梅 张传善 重组节研究的进展 遗传 1996 18 4 38 41 8 Carpenter ATC Electron microscopy of meiosis in Dro sophila melanogaster females II The recombination nod ule a recombination associated structure at pachytene Proc Natl Acad Sci USA 1975 72 8 3186 3189 9 Heyting C Dietrich AJJ Moens PB Dettmers RJ Offenberg HH Redeker EJW Vink ACG Synaptonemal complex proteins Genome 1989 31 1 81 87 10 Heyting C Synaptonemal complexes structure and func tion Curr Opin Cell Biol 1996 8 3 389 396 11 de Martino C Capanna E Nicotra MR Natali PG Immu nochemical localization of contractile proteins in mam malian meiotic chromosomes Cell Tiss Res 1980 213 1 159 178 12 Moens PB Earnshaw WC Anti topoisomerase II recog nizes meiotic chromosome cores Chromosoma 1989 98 5 317 322 13 Schild Prufert K Gu YJ Smolikov S Milstein S Hill DE Vidal M Colaiacovo MP Synaptonemal complex forma tion during meiosis in C elegans In International Worm Meeting 2007 WormBase WBPaper 00029657 14 MacQueen AJ Colai covo MP McDonald K Villeneuve AM Synapsis dependent and independent mechanisms stabilize homolog pairing during meiotic prophase in C elegans Genes Dev 2002 16 18 2428 2442 15 Couteau F Nabeshima K Villeneuve A Zetka M A com ponent of C elegans meiotic chromosome axes at the in terface of homolog alignment synapsis nuclear reor ganization and recombination Curr Biol 2004 14 7 585 592 16 Osman K Sanchez Moran E Higgins JD Jones GH Franklin FCH Chromosome synapsis in Arabidopsis analysis of the transverse filament protein ZYP1 reveals novel functions for the synaptonemal complex Chromo soma 2006 115 3 212 219 17 Higgins JD Sanchez Moran E Armstrong SJ Jones GH Franklin FCH The Arabidopsis synaptonemal complex protein ZYP1 is required for chromosome synapsis and normal fidelity of crossing over Genes Dev 2005 19 20 2488 2500 18 Wang M Wang KJ Tang D Wei CX Li M Shen Y Chi ZC Gu MH Cheng ZK The central element protein ZEP1 of the synaptonemal complex regulates the number of crossovers during meiosis in rice Plant Cell 2010 22 2 417 430 19 Schramm S Fraune J Naumann R Hernandez Hernandez A H g C Cooke HJ Alsheimer M Benavente R A novel mouse synaptonemal complex protein is essential for loading of central element proteins recombination 第2期 谢文军等 联会复合体的组成 功能及遗传控制 175 and fertility PLoS Genet 2011 7 5 e1002088 20 Li Y Liu JG Zhao J Brundell E Daneholt B H g C The murine SCP3 gene is required for synaptonemal complex assembly chromosome synapsis and male fertility Mol Cell 2000 5 1 73 83 21 Tsutsumi M Kogo H Kowa Sugiyama H Inagaki H Ohye T Kurahashi H Characterization of a novel mouse gene encoding an SYCP3 like protein that relocalizes from the XY body to the nucleolus during prophase of male meiosis I Biol Reprod 2011 85 1 165 171 22 Cloutier JM Turner JMA Meiotic sex chromosome inac tivation Curr Biol 2010 20 22 R962 R963 23 Bardhan A Many functions of the meiotic cohesin Chromosome Res 2010 18 8 909 924 24 Pezzi N Prieto I Kremer L P rez Jurado LA Valero C Del Mazo J Mart nez A C Barbero JL STAG3 a novel gene encoding a protein involved in meiotic chromosome pairing and location of STAG3 related genes flanking the Williams Beuren syndrome deletion FASEB J 2000 14 3 581 592 25 Losada A Yokochi T Kobayashi R Hirano T Identifica tion and characterization of SA Scc3p subunits in the Xenopus and human cohesin complexes J Cell Biol 2000 150 3 405 416 26 Garcia Cruz R Brie o MA Roig I Grossmann M Velilla E Pujol A Cabero L Pessarrodona A Barbero JL Garcia Cald s M Dynamics of cohesin proteins REC8 STAG3 SMC1 and SMC3 are consistent with a role in sister chromatid cohesion during meiosis in human oocytes Hum Reprod 2010 25 9 2316 2327 27 Shao T Tang D Wang KJ Wang M Che LX Qin BX Yu HX Li M Gu MH Cheng ZK OsREC8 is essential for chromatid cohesion and metaphase I monopolar orienta tion in rice meiosis P