Nature | XY性染色体大不同，减数分裂配对时为何没出错？

性染色体

来源：BioArt 2020-06-03 13:32

大多数哺乳动物雄性中的性染色体只有一个很小的同源片段，这段区域被称为假常染色体区（Pseudoautosomal region， PAR），PAR区域正确发生DNA双链断裂、配对以及交换才能确保减数分裂的正常进行【1】。在小鼠减数分裂重组过程中，发生DNA双链断裂的PAR区域大小只有大约700kb【2】。在常染色体中平均每10Mbp发生一次DNA双链断裂，P

大多数哺乳动物雄性中的性染色体只有一个很小的同源片段，这段区域被称为假常染色体区（Pseudoautosomal region， PAR），PAR区域正确发生DNA双链断裂、配对以及交换才能确保减数分裂的正常进行【1】。在小鼠减数分裂重组过程中，发生DNA双链断裂的PAR区域大小只有大约700kb【2】。在常染色体中平均每10Mbp发生一次DNA双链断裂，PAR区域如果与典型的常染色体区段表现相同的话，肯定会面临极大的重组失败的危险【1】。因此，为了确保减数分裂的正常进行，PAR区域中发生DNA双链断裂和重组的概率高的不成比例【1，3-5】。在如此小的PAR区段之中细胞是如何确保高频率的DNA双链断裂以及重组过程发生的具体机制还很不清楚。

2020年5月27日，为了对这一问题进行解析，美国纪念斯隆·凯特琳癌症中心Scott Keeney研究组Laurent Acquaviva（也是第一作者）以及 Maria Jasin研究团队在Nature发文题为Ensuring meiotic DNA break formation in the mouse pseudoautosomal region，在该工作中呈现出了PAR区域动态超微结构，并确定了调控DNA双链断裂高频发生的顺式和反式调控因素，为减数分裂期间性染色体的重组提供了重要分子机制。

DNA双链断裂的出现通常伴随着锚定染色质环的线性轴向结构。精母细胞中PAR染色质在很长的轴向上有很多相对较短的DNA环。但是目前为止关于PAR区域只有低分辨率的结构数据可以使用，而顺式和反式调控因子的信息更是不得而知。所以作者们首先希望通过建立PAR区域的超微结构来对精母细胞中促使PAR产生高频率重组的原因进行解析。

X染色体和Y染色体配对通常很晚，精母细胞中的PAR区段到大多数常染色体已经配对的偶线期晚期配对也不超过20%【1】。PAR区域高度富集REC114、MEI4、MEI1、ANKRD31以及IHO1，并且这五个蛋白在减数分裂前期I与几个点状结构（Blobs）共定位（图1）。五个蛋白与基因组上广泛的DNA双链断裂相关，由于其在PAR区域的高度共定位，作者们将这五个因子合称为RMMAI。通过质谱分析也找到与ANKRD31相互作用蛋白ZMYM3以及PTIP可能会作用调控因子发挥作用。进一步地，作者们想要探究轴向分化的空间分布特征、RMMAI组成以及染色质-环结构等在PAR区域的变化（图1）。作者们发现在PAR区域出存在大规模环-轴结构变化，并建立起了PAR区域中RMMAI蛋白的积累与凝缩的染色质相关的长轴的形成之间的空间和时间相关性。

图1 减数分裂前期I PAR区域环-轴动态重塑过程

那么，作者们在想是否是由于存在特定的DNA序列而将RMMAI蛋白招募到PAR区域的点状结构处的，因为常染色体的点状结构出也可以被PAR探针杂交上（图2）。作者们发现，小卫星DNA mo-2与RMMAI点状结构完全共定位（图2）。进一步地，作者们发现mo-2重复序列可以作为RMMAI蛋白招募的顺式作用决定因子。

图2 PAR区域点状结构与小卫星DNA mo-2探针完全共定位

既然在PAR区域存在大量的RMMAI蛋白的招募以及轴向变化过程，作者们认为这可能是PAR区域发生高频率DNA双链断裂的环境因素之一。为了验证这一假说，作者们在野生型偶线期精母细胞中，对RPA2斑点与mo-2区域的重叠比例进行计数，发现平均重叠比例为35%，而到粗线期之后这一比例提高到了70%。而在敲除RMMAI中的Ankrd31因子时，RPA2斑点与mo-2重叠的比例大大降低，处于粗线期中间的精母细胞中X与Y染色体配对的比例仅有6%。因此作者们认为RMMAI招募和轴向重塑过程与DNA双链断裂发生的高频率形成密切相关。并且，作者们通过对常染色体PAR类似区域中DNA双链断断裂出现的频率进行检测，发现常染色体mo-2区域与性染色体PAR区域类似，不仅会招募高水平的RMMAI蛋白同时经历轴向重塑过程，而且会具有类似于PAR区域中DNA双链断裂高频率发生的特征。

在雌性中，两个X染色体之间的重组并不局限于PAR区域，因此卵母细胞不像精母细胞那样需要PAR区域中DNA双链断裂的高频发生【6】。作者们通过单链DNA测序发现，虽然在卵母细胞中一样具有RMMAI蛋白的招募以及长轴的存在，但是单链DNA测序的信号却很低，这说明卵母细胞中缺少类似于精母细胞中促进PAR区域DNA双链断裂的关键因子。

总的来说，在雄性小鼠精母细胞减数分裂过程中，X和Y染色体配对过程中出现的PAR区域在DNA双链断裂形成之前经历的显着的DNA环-轴结构重新排列，此过程涉及到了RMMAI蛋白的招募、姐妹染色单体轴的动态延长和分裂过程。这些行为大部分也发生在卵母细胞中，但是卵母细胞中不会出现高频的DNA双链断裂，但是如果联会过程延迟，卵母细胞也会出现类似于PAR区域中DNA双链断裂的高频发生的现象。而PAR区域点状结构的产生过程中，mo-2 DNA重复序列可能是一个关键的顺式作用的决定因素，而RMMAI蛋白是关键的反式作用的决定因素（图3）。因此，PAR区域的差异是由于PAR结构的成熟、DNA双链断裂的形成以及配对和联会之间的竞争中XY与XX性染色体动力学差异导致的。该工作为减数分裂期间性染色体的重组建立了一个机制方面的研究范式。

图3 精母细胞性染色体配对中PAR区域DNA双链断裂高频发的模式图

参考文献

1. Kauppi， L. et al. Distinct properties of the XY pseudoautosomal region crucial for male meiosis. Science 331， 916-920， doi：10.1126/science.1195774 (2011).

2. Perry， J.， Palmer， S.， Gabriel， A. & Ashworth， A. A short pseudoautosomal region in laboratory mice. Genome Res 11， 1826-1832， doi：10.1101/gr.203001 (2001).

3. Soriano， P. et al. High rate of recombination and double crossovers in the mouse pseudoautosomal region during male meiosis. Proc Natl Acad Sci U S A 84， 7218-7220， doi：10.1073/pnas.84.20.7218 (1987).

4. Lange， J. et al. The Landscape of Mouse Meiotic Double-Strand Break Formation， Processing， and Repair. Cell 167， 695-708 e616， doi：10.1016/j.cell.2016.09.035 (2016).

5. Brick， K.， Smagulova， F.， Khil， P.， Camerini-Otero， R. D. & Petukhova， G. V. Genetic recombination is directed away from functional genomic elements in mice. Nature 485， 642-645， doi：10.1038/nature11089 (2012).

6. Brick， K. et al. Extensive sex differences at the initiation of genetic recombination. Nature 561， 338-342， doi：10.1038/s41586-018-0492-5 (2018).

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