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Science:揭示SUMO和泛素在减数分裂中起着关键性作用

来源:生物谷 2017-01-30 14:14


图片来自Neil Hunter。

2017年1月30日/生物谷BIOON/---若没有减数分裂和重组,我们会在哪里?从一开始,作为有性生殖的有机体,我们当中没有一个人会存在于世上,这是因为精子和卵子就是这样制造出来的。当减数分裂不会正常发挥作用时,它能够导致不育不孕、流产和发育缺陷。

来自美国加州大学戴维斯分校生物科学学院的Neil Hunter实验室正在梳理减数分裂运作方式的复杂细节。在一项新的研究中,Hunter团队描述了减数分裂中的新的关键性组分:蛋白SUMO、泛素和被称作蛋白酶体的分子机器。泛素是一种众所周知的小分子蛋白,用于标记随后会被蛋白酶体降解的其他蛋白。SUMO与泛素存在较高的同源关系。相关研究结果发表在2017年1月27日那期Science期刊上,论文标题为“A SUMO-ubiquitin relay recruits proteasomes to chromosome axes to regulate meiotic recombination”。

减数分裂舞蹈

在减数分裂期间,这些染色体参与一种复杂的受到精细控制的舞蹈,从而确保每个精子或卵子含有常规的体细胞一半的染色体数量,而且精确地含有每个染色体对中的一条染色体(常规的体细胞除X性染色体和Y性染色体之外,具有成对的染色体)。

为了实现这些目标,这些减数分裂细胞经历两轮分裂,以及你能够在任何一本不错的生物学教科书中发现的许多前期阶段。

在准备开展首轮分裂时,同源染色体两两紧密地进行配对,然后通过交换---染色体臂发生断裂和重新接合---连接在一起。通过交换提供的这些连接在准确的染色体分布中发挥着重要的作用。若没有交换,错误的染色体数量可能最终出现在精子或卵子中。交换也让DNA片段发生重组,从而使得我们从我们的父母那里遗传的染色体之间的差异出现新的组合。这就是为何小孩看起来有点像他们的父母,但并不是完全一样。

如今,Hunter实验室和来自美国克利夫兰州立大学的Valentine Börner实验室揭示出SUMO、泛素和蛋白酶体在减数分裂中发挥着至关重要的作用。总地来说,染色体有上百个潜在的交换位点,但是仅有其中的一些位点实际上发生交换。从某种角度而言,细胞必需将大量的可能性缩小到一些具体的位点,但是会确保每条染色体至少发生一次交换。Hunter团队发现SUMO、泛素和蛋白酶体在这种交换位点选择中发挥着关键性的作用。

Hunter说,“当你在显微镜下可视化观察这些蛋白时,它们都沿着这些染色体聚集,特别是沿着染色体轴聚集。”

染色体轴是将DNA组装为一系列环形结构的蛋白支架。染色体配对和交换发生在每对匹配的染色体的两个轴之间。

Hunter实验室发现当染色体配对时,SUMO会抑制这些上百个潜在的交换位点上发生的DNA相互作用。若缺乏这种抑制,这些位点都不会发生交换。Hunter说,“如果缺乏SUMO的话,那么就不会发生交换,因而减数分裂就不会成功进行。我们认为阻止这个过程会为选择交换位点提供时间。”

泛素和蛋白酶体在这个过程中发挥着相反的作用:让SUMO释放下来,从而允许DNA相互作用继续进行下去。SUMO和泛素之间的平衡允许刚刚足够的交换发生,从而有助确保精子和卵子的每条染色体发生一次交换。

研究人员主要是利用来自小鼠(包括与这个过程中的SUMO、泛素和相关的蛋白的编码基因受到敲除的小鼠)的细胞开展研究。这些基因和蛋白当然在人体中具有同源基因和蛋白,而且这些基因发生的变异可能与生育力存在关联。(生物谷 Bioon.com)

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A SUMO-ubiquitin relay recruits proteasomes to chromosome axes to regulate meiotic recombination

H. B. D. Prasada Rao, Huanyu Qiao1,2, Shubhang K. Bhatt2, Logan R. J. Bailey2, Hung D. Tran2, Sarah L. Bourne2, Wendy Qiu2, Anusha Deshpande2, Ajay N. Sharma2, Connor J. Beebout2, Roberto J. Pezza3, Neil Hunter

doi:10.1126/science.aaf6407

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