Cell：揭示在减数分裂中让染色体分配保持平衡的新机制

2021年8月29日讯/生物谷BIOON/---作为性细胞或者说配子，人类卵子和精子是特殊的细胞有很多原因，但区别于其他人类细胞的一个特征是，卵子和精子只有一份23条染色体，而其他人类细胞有两份23条染色体，一份来自母体，一份来自父体。

美国宾夕法尼亚大学文理学院的Michael Lampson领导的先前研究已表明，这些染色体并不是偶然传给配子的；某些因素会使分配天平倾斜，使这两份中的某一份更有可能传给下一代。

在一项新的研究中，Lampson及其同事们发现了一种在减数分裂过程中让分配天平保持平衡的力量，其中减数分裂是产生配子的细胞分裂过程，使特定的染色体进入有活力的卵子的几率接近50%。相关研究结果于2021年8月24日在线发表在Cell期刊上，论文标题 为“Parallel pathways for recruiting effector proteins determine centromere drive and suppression”。

这项研究发现虽然存在一种机制使某些染色体在减数分裂过程中占上风，但另一条平行的途径却能抑制这种优势。这些作者表示，在这两条途径中起作用的蛋白质似乎在进行一场进化军备竞赛，有可能避免有偏差的染色体遗传导致卵子的错误和异常，比如非整倍体（ 拥有异常数量的染色体），这可能导致出生缺陷。

Lampson说，“如果我们认为这些进入卵子中的染色体是自私的，那么自私意味着它们在最大化自身传递的同时，对整个有机体造成了一定的代价。如果有代价，那么可能会有其他基因在压力下抑制自私的基因或抑制这种代价。”

这项新的研究旨在寻找这种抑制途径，它建立于2017年发表在Science期刊上的一篇论文（Science, 2017, doi:10.1126/science.aan0092）的基础上，在这篇Science论文中，Lampson和他的实验室成员已阐述了减数分裂纺锤体产生不对称的机制，其中纺锤体由微管组成，在分裂前将染色体拉到细胞的相对两侧。这种不对称性导致了染色体传递的偏差。他们发现，“自私的”着丝粒（centromere），即染色体附着在纺锤体上的部分，比“无私的”着丝粒更有可能脱离并重新附着在细胞中注定成为有活力的卵子的一侧，而不是通常被降解的极体（polar body）。

随后，在2019年发表在Cell期刊上的一篇论文（Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.07.001）中，这些研究人员阐述了该过程的更多细节。他们发现，自私的着丝粒能够通过招募特定的蛋白质来破坏着丝粒对纺锤体的附着，从而使传递发生偏差，从而再次增加了最终进入卵子而不是极体的机会。这些蛋白质在使着丝粒从纺锤体分离的过程中发挥了作用。

Lampson说，“我们获得了对自私性如何起作用的这种理解，因此在这项新的研究中，我们想了解这种抑制如何起作用。”

早先的研究表已明，在多种动物物种中，一些作用于着丝粒的蛋白质在快速进化。Lampson及其同事们猜测，这种快速进化可能是自私因子和抑制因子之间“军备竞赛”的证据，类似于在免疫系统中看到的情况，因为免疫系统可以快速进化以应对来自病原体的不断变化的威胁。

Lampson说，“发现许多快速进化的蛋白质在着丝粒处发挥作用是令人惊讶的，因为你可能会期望这些蛋白质是高度保守的，因为它们在细胞分裂中是如此重要。但这是军备竞赛的一个标志，就像我们在免疫系统中看到的那样。如果自私的着丝粒要作弊，很可能会有蛋白质进化来压制这种抑制。”

这些研究人员已经知道，让染色体传递发生偏差的效应蛋白是通过一种称为动粒途径（kinetochore pathway）的路径被招募到着丝粒的。为了找到一条抑制途径，他们将目光投向了异染色质，即紧密包装的DNA，已知它也招募蛋白质到着丝粒。为了测试这种异染色质途径（heterochromatin pathway）是否可能平衡了动粒途径的偏向作用，他们选择性修饰了一种在这两种途径中起作用的酶。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.07.037。

当他们修改了蛋白质CENP-C而破坏了动粒途径时，他们观察到自私的着丝粒和非自私的着丝粒之间的偏向性下降，染色体在减数分裂完成之前在细胞中更对称地排布。相反，当他们剔除了参与招募异染色质途径中的蛋白质的CENP-B时，染色体的不对称性变得更加明显，自私的着丝粒被允许让染色体偏向传递到卵子中。

Lampson说，“似乎有这些微妙的变化在起作用，这是因为这两种途径都是必不可少的。你不能破坏动粒途径，因为它是细胞分裂的基础，但与此同时你想减少自私的着丝粒的传递机会。因此，进化似乎是为了应对这些同时存在的压力而采取行动的。”

Lampson说，这些发现阐明了存在于我们自身体内的进化战场。“我认为非常有趣的是，我们自己的基因组中存在着这些自私的成分，它们具有重要的作用。我们的细胞生物学的这些非常、非常基本的方面实际上反映了竞争的压力。”

他和同事们希望在后续工作中继续探索自私因子的潜在成本是否会导致配子产生中的重大错误或减数分裂中的其他问题。Lampson说，“雌性不会产生非常多的卵子，所以你会认为每一个卵子都很珍贵，而且我们不想犯任何错误。但错误有时会发生；有时会有太多的染色体进入。那么，错误是否与这些自私因子有某种程度的关系？”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Tomohiro Kumon et al. Parallel pathways for recruiting effector proteins determine centromere drive and suppression. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.07.037.