一系列文章层层剖析X染色体和Y为什么能走到一起?分手很难(尤其是性染色体)

【字体: 时间:2020年06月01日 来源:

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  同源重组在男性身上是一个巨大的挑战,因为X染色体的绝大部分并没有东西与之配对。事实上,很小的Y染色体只有很小的部分与X有一些同源性。这个区域被称为伪常染色体区(pseudoautosomal region,PAR),这对于确保X和Y分别进入不同的精子细胞是至关重要的。

  


我们知道,一条染色体X和一条Y由于体型相差悬殊,原本不太可能配对。X包含了数千个对生命至关重要的基因。相比之下,Y像个小黑点,其主要目的是为启动雄性发育和精子制造提供指导。然而,如果这两条截然不同的染色体要在减数分裂(一种特殊的细胞分裂形式,用于产生精子和卵子。)过程中相遇并正确配对,它们就必须协同工作。

几十年来,这个问题一直困扰着科学家。但斯隆•凯特林(Sloan Kettering)研究所的科学家们现在已经找到了答案。答案涉及到一些非常蓄意的DNA断裂和重新连接。

破坏是减数分裂的一个主题。在这个过程中,我们从母亲身上获得的每一条染色体都与我们从父亲身上获得的每一条染色体以及两个的互换片段排列在一起。在这种交换发生之前,染色体中的DNA必须被故意破坏。交换的区域是“同源的”——它们在染色体上的同一个地方被发现,并且包含相同的基因(尽管每个基因的特定DNA序列可能略有不同)。

同源重组在男性身上是一个巨大的挑战,因为X染色体的绝大部分并没有东西与之配对。事实上,很小的Y染色体只有很小的部分与X有一些同源性。这个区域被称为伪常染色体区(pseudoautosomal region,PAR),这对于确保X和Y分别进入不同的精子细胞是至关重要的。

鉴于它的尺寸,PAR经历破坏和片段交换的水平竟然远远超出人们对它所期望的。

“在大多数染色体上,DNA双链断裂通常每1000万碱基对发生一次,”研究这一现象的分子生物学家Scott Keeney说。“而小鼠的PAR长度远小于1000万碱基对(事实上不到1/10),但它却仍能经受频繁的双链断裂。

在5月27日发表在《Nature》杂志上的一项新研究,Keeney博士和他的同事们——包括分子生物学家劳伦特•阿克奎维娃(Laurent Acquaviva)和长期合作者玛丽亚•贾辛(Maria Jasin)——展示了这一切是如何发生的。

难以名状的一团

他们发现,X和Y的正确配对的关键是在PAR中重复的DNA序列,它吸引了几个双链断裂相关蛋白到这个区域。这些蛋白质簇——Acquaviva博士称之为“斑点(blobs)”——改变了这个区域中染色体的结构,从而使PAR成为“雄性小鼠基因组中双链断裂形成最热的区域”。

在已发表的研究中也发现了类似的斑点,但Keeney 实验室的博后研究员、本文共同通讯作者Acquaviva博士是第一个定义这些斑点中的物质并将它们与该区域双链断裂的过度积累联系起来的人。

Acquaviva博士说:“乍一看,如果实验失败的话,你可能会在显微镜下看到这些斑点就像一团乱麻。但它们在数量、时间和位置上都是完全可预测的,所以很明显,实际上它们是细胞有意构建的非常复杂的结构。”

事实上,他说,这些斑点是理解PAR DNA如何以短环的形式拴在染色体结构骨架的线性轴的关键。

尽管X染色体也有相同的重复DNA序列,但女性减数分裂中的两条X染色体通常不在此区域重组。为什么不?他们指出,这是因为X其他区域的配对倾向于直接先发生以阻挠PAR区域断裂。

招募超过一个预期的DNA断裂蛋白份额的策略可能不限于PAR区域。在本月早些时候,Keeney实验室发表的一篇论文描述过出芽酵母中的小染色体也采用了类似的策略,即像PAR区域一样,招募超过预期数目的DNA断裂蛋白。

牢不可破的伙伴关系

这些在小鼠身上发现的新发现,是Keeney和Jasin实验室长期合作的最新成果。

“Scott和我早在1997年加入滑雪队时就开始了合作,这篇论文将是我们共同撰写的第40篇。事实上,与这篇新论文一起发表的还有一篇由前合作研究员弗朗西斯卡•科尔(Francesca Cole)撰写的社论,他现在在安德森癌症中心(MD Anderson Cancer Center)任教。”

Jasin博士和Keeney博士都对同源重组感兴趣,Jasin博士是哺乳动物双链断裂修复的专家,Keeney博士是酵母减数分裂的专家,这为他们的合作带来了互补的专业知识。

上个月,研究小组的第39篇合作论文发表在《Molecular Cell》杂志上。在这篇文章中,他们对如何修复双股断裂提供了迄今为止最详细的描述。“我希望它能改变教科书中关于DNA链在减数分裂重组过程中如何移动的说法,”Jasin博士说。“但许多令人兴奋的问题仍有待解决。”换言之,请继续关注来自这个科学家团队的更多“突破性”消息。

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原文检索:Ensuring meiotic DNA break formation in the mouse pseudoautosomal region

(生物通:伍松)

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