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本文聚焦减数分裂重组起始因子 Spo11，阐述其从拓扑异构酶 VI（Topo VI）演化而来的历程，对比二者在结构、机制和调控上的差异，探讨 Spo11 在减数分裂及非减数分裂中的作用，还介绍了其多种变体，对理解减数分裂及相关疾病意义重大。
引言
减数分裂在遗传多样性演化中意义重大，其关键特征重组能打破基因连锁不平衡，让新突变自由发展。同时，减数分裂是个体配子形成时的细胞生物学过程，减数分裂缺陷会引发不孕不育、染色体非整倍体等多种临床问题，所以是多学科研究的重点。
在减数分裂的分子机制中，Spo11 是几乎所有真核生物中至关重要的起始因子。它通过在染色体 DNA 上产生双链断裂（DSBs），诱导减数分裂重组发生。Spo11 蛋白的演化与减数分裂及有性生殖的起源紧密相连，研究其起源、分布和变体，有助于深入了解减数分裂的奥秘。
拓扑异构酶的起源和分类
拓扑异构酶的演化
维持基因组完整性需要解决 DNA 拓扑问题，DNA 拓扑受复制、转录和凝聚等过程影响，而这些过程产生的高阶 DNA 构象又会反作用于相关蛋白质 - DNA 反应。过量的 DNA 缠绕和打结会阻碍染色体分离，对细胞造成致命影响。因此，能改变 DNA 拓扑结构的拓扑异构酶应运而生。
DNA 基因组可能从基于 RNA 的基因组演化而来，这一转变使更复杂的生命得以发展，但也给 DNA 拓扑带来了更大挑战。单链核酸更易缠绕和解开，可能在缺乏拓扑异构酶的情况下存活；而双链 DNA 易缠绕打结，产生致命张力。由此推测，拓扑异构酶的演化推动了更大 DNA 基因组的发展，进而促进了复杂生命的演化。拓扑异构酶可能由作用于 DNA 的蛋白质，如 DNA 聚合酶和转座酶演化而来，也可能起源于祖先 RNA 拓扑异构酶。
不同类别的拓扑异构酶
拓扑异构酶根据诱导 DNA 单链（I 型）或双链（II 型）断裂分为两类，I 型编号为奇数（Topo I、III、V），II 型为偶数（Topo II、IV、VI、VIII） 。所有拓扑异构酶都有一个共同的 TOpoisomerase - PRIMase（TOPRIM）结构域，用于协调二价金属离子以促进 DNA 结合，但主要家族之间没有同源性，表明它们是独立演化的。其在不同生物中的分布不遵循系统发育树，而是反映了生物的环境和需求。
I 型拓扑异构酶仅短暂切割 DNA 单链，其中 IA 类（如人类 TOP3）作用于部分单链 DNA 底物，通过与 DNA 的 5’端共价连接产生链断裂；IB 类（如人类 TOP1）作用于双链 DNA，在催化循环中与 3’端相连，其产生的切口可使 DNA 链相互旋转，释放拓扑应力，还参与染色体分离。
II 型拓扑异构酶分为 IIA 和 IIB 两个家族，它们在 DNA 切割时会与产生的两个 5’端短暂相连。IIA 类产生 4 个核苷酸（nt）的突出端，IIB 类产生 2 个 nt 的突出端。Spo11 与 IIB 家族的拓扑异构酶 VI（Topo VI）在进化和机制上相似，可能由其演化而来。Spo11 像其他 IIB 类酶一样，必须二聚化才能切割 DNA，在体内产生具有两个核苷酸 5’突出端的 DSBs，但与经典拓扑异构酶不同的是，它失去了重新连接 DSBs 的关键能力，从而使 DNA 末端进入重组途径，推动遗传变异。
Spo11 与其祖先拓扑异构酶 VI 的差异
结构关系
Topo VI 是 IIB 类拓扑异构酶家族成员，首次在古菌 Sulfolobus shibatae 中发现，几乎存在于所有古菌中，在一些细菌中也有发现，可能源于古菌的水平基因转移。它是由 A 和 B 两个亚基组成的异源四聚体。
Spo11 与 Topo VI 的 A 亚基在结构上相似，被广泛认为是由其演化而来。Spo11 有许多直系同源物，但不同物种间的序列保守性较低（20% - 30%）。起初认为 Spo11 没有 B 亚基，后来在小鼠和拟南芥中发现了与 Topo VI 的 B 亚基同源的 Top6BL。Top6BL 在真核生物中与 TopVIB 既有高度差异又有显著保守性，其直系同源物存在于对 Spo11 催化功能至关重要的蛋白质中，如酿酒酵母中的 Rec102 - Rec104 和果蝇中的 Mei - P22。
Spo11 和 Top6BL 共同形成功能性全复合物，在减数分裂中通过修饰的拓扑异构酶样机制启动重组的 DSBs 形成。在酿酒酵母中，该 “核心复合物” 还包括 Ski8 蛋白，它似乎是从参与 RNA 代谢的支架蛋白转变而来。
TopVIA 和 Spo11 都由两个结构域组成，除了 TOPRIM 结构域，还包含一个翼状螺旋结构域，二者都与 DNA 相互作用。翼状螺旋结构域中的一个催化酪氨酸残基对 DSBs 的形成至关重要，在所有 TopVIA 和 Spo11 变体中都保守，还有两个金属结合残基也保守，对 DSBs 形成至关重要。
机制差异
Topo VI 和 Spo11 的结构相似性表明它们在 DNA 切割机制上有共同之处。Topo VI 采用类似于 IIA 类拓扑异构酶的双门链通过机制，其催化过程需要 ATP 结合，在 DNA 断裂后，ATP 水解使第二条 DNA 链通过 DSB 间隙。
Spo11 核心复合物没有可识别的 ATP 酶结构域，这表明 ATP 结合和 / 或水解在经典 Topo VI 催化 DNA 切割循环中的关键作用，对 Spo11 启动重组不再重要或必需。缺乏 ATP 结合 / 水解可能使 Spo11 成为一种机制上 “截肢” 的拓扑异构酶，专门用于诱导需要通过重组修复的 DSBs。
Topo VI 在缺乏 ATP 水解时，似乎更倾向于结合和切割欠缠绕的 DNA。Spo11 切割不需要 ATP 结合或水解，这可能导致其核心复合物更倾向于作用于欠缠绕的 DNA。在体内，Spo11 优先在基因组的无核小体区域（如基因启动子）形成 DSBs，这些区域 DNA 可及且预计为欠缠绕状态。体外和计算机模拟研究也证实了 Spo11 对可弯曲和欠缠绕 DNA 的偏好。
Spo11 与 Topo VI 的调控差异
Spo11 比拓扑异构酶受到更严格的控制
Spo11 虽然与 II 型拓扑异构酶密切相关，但受到更严格的调控。在小鼠和酿酒酵母中，Spo11 仅在减数分裂早期表达。它还被认为存在自杀抑制现象，催化形成 DSB 并切割和内切释放后，会与短 DNA 寡核苷酸结合，无法再催化另一个 DSB，但最近的生化证据表明，在特定条件下它可能有重新连接单链断裂的能力。
与拓扑异构酶不同，Spo11 在体内发挥功能需要众多额外蛋白质的参与。在酿酒酵母中，Spo11 发挥作用需要 9 种蛋白质，包括核心复合物成员、Rec114、Mer2、 Mei4（“RMM”）和 MRX 复合物等。Spo11 的活性还受到黏连蛋白和 HORMAD 家族蛋白（如酿酒酵母 Hop1）的强烈影响，Hop1 能引导 Spo11 作用于特定基因组位点。在哺乳动物中，Spo11 的活性还受到 PRDM9 的调控，PRDM9 是一种与物种形成相关的快速演化基因，具有序列特异性组蛋白甲基化活性。
Spo11 活性的调控
Spo11 - DSB 形成的调控方式备受关注，既有主动调控（由促 DSB 形成的因子），也有被动调控（由 DSB 形成的下游事件）。由于减数分裂前期基因组中多个 DSB 的异步产生，形成了一种 DSB 干扰现象，即早期 DSB 会影响后续 DSB 形成的可能性，但调控的具体靶点仍未确定，促 DSB 形成的因子是最有可能的候选者。
拓扑异构酶的调控相对简单，目前没有证据表明其受到与 Spo11 相同程度的控制。不过，拓扑异构酶的催化作用在较高扭转应力区域更易发生，其作用释放应力后可能间接抑制附近区域对其进一步的需求，这与 Spo11 - DSB 干扰有相似之处，但 DNA 损伤反应激酶 ATM（酿酒酵母中的 Tel1）是否通过改变局部 DNA 拓扑结构和 / 或应力来介导 Spo11 - DSB 干扰尚不清楚。
Spo11 只有在二聚化时才具有活性
Spo11 核心复合物与其他 II 型拓扑异构酶一样，只有在二聚化时才具有催化活性。酿酒酵母和小鼠的 Spo11 在溶液中以核心复合物单体形式存在更稳定，可能以单体形式结合 DNA，二聚化后才具有催化活性。
有研究提出 Spo11 可能在促 DSB 形成因子（如 Hop1、Rec114 - Mei4 和 Mer2）的相分离凝聚物表面发挥作用，这些凝聚物可提高 Spo11 的局部浓度，促进二聚化和切割。体外实验也表明，高蛋白质与底物浓度可强烈刺激小鼠 Spo11 的 DNA 切割活性。但 Spo11 活性限制在高浓度区域也存在风险，可能形成超局部化的重合 DSB，导致间隙修复和复杂的插入、重排。
现代 Spo11 变体的减数分裂和非减数分裂作用
Spo11 功能的保守性
Spo11 仅存在于真核生物中，其广泛存在表明它可能在最后一个真核共同祖先中就已存在，从 TopVIA 演化而来。在不同生物中，Spo11 和 TopVIA 与其各自的直系同源物更相似，支持 Spo11 可能存在于最后一个真核共同祖先的理论，且其起源可能与减数分裂大致同时。
尽管 Spo11 对减数分裂很重要，但一些有性生殖物种在没有它的情况下也能产生配子，例如果蝇雄性个体在缺乏 Spo11 同源物 mei - W68 的情况下仍能进行减数分裂，但雌性个体需要 mei - W68 进行重组，这解释了果蝇中 Spo11 的保留。
此外，在一些无性生殖物种（如贾第虫、白色念珠菌和棘阿米巴）中也发现了 Spo11 的直系同源物，这些物种中 Spo11 的保守性表明它可能在非减数分裂中也发挥着重要作用。
Spo11 的剪接变体
减数分裂演化后，Spo11 出现了新的变体，可能为了提供新的功能和调控方式。哺乳动物有两种 Spo11 剪接变体：α 和 β。早期减数分裂精母细胞主要合成 Spo11α，后期主要合成 Spo11β，Spo11β 在促进 XY 染色体对短假常染色体区域（PAR）的重组中起重要作用，雄性小鼠只表达 Spo11β 会不育，而雌性小鼠正常。
植物中也存在 Spo11 的差异剪接，如拟南芥、水稻、白菜和番木瓜等，已鉴定出多达 7 种不同的剪接变体，但多数似乎产生无功能的截短蛋白。植物的剪接变体与哺乳动物不同，倾向于通过内含子的保留或排除来变化，这可能暗示动植物 Spo11 在功能上存在细微差异。
Spo11 的旁系同源物
植物中至少有三种不同的 Spo11 同源蛋白：SPO11 - 1、SPO11 - 2 和 SPO11 - 3，它们序列相似性低，可能是古老的旁系同源物。这三种蛋白都含有对 DSB 形成至关重要的催化活性酪氨酸残基。
拟南芥中，SPO11 - 1 和 SPO11 - 2 对减数分裂 DSB 形成至关重要，但它们的具体作用尚不清楚。二者可能与 Top6BL 形成复合物，共同发挥与其他物种 Spo11 核心复合物相同的作用，且它们似乎在同一途径中起作用，敲除二者之一与同时敲除的表型相同，但不清楚这是由于异源二聚化的需求，还是各自具有独立但关键的作用。
SPO11 - 3 最初因与 Spo11 相似而被命名，但现在普遍认为它编码植物 Topo VI 的 A 亚基，因为它没有减数分裂功能，而是在植物的体细胞内复制（一种细胞不分裂但复制基因组的过程）中起作用，对植物营养生长至关重要。
在水稻中，还发现了另外两种 Spo11 同源物 OsSpo11 - 4 和 OsSpo11 - 5，起初认为 OsSpo11 - 4 对减数分裂至关重要，但后来证据表明并非如此，OsSpo11 - 5 也没有减数分裂作用，其功能尚未明确，它们可能是 Topo VI 的亚基，参与基因组维护的其他方面。
讨论
Spo11 在减数分裂存在的地方都能被发现，是一种古老且功能相对稳定的蛋白质，但其变体在进化过程中有出现和消失的现象。动植物中都存在 Spo11 变体相互促进的情况，但有些变体又会消失，可能是因为其带来的益处较小，或者只在特定条件和生活史中有益。
尽管发现 DSB 作为减数分裂重组起始因子已有约 35 年，鉴定出 Spo11 作为催化实体也有近 30 年，但对 Spo11 的详细机制仍知之甚少。近期小鼠蛋白体外催化活性的突破性发现，以及对核心复合物中蛋白质相互作用结构组织的深入理解，有望推动新的研究进展，但在多细胞生物体内进行细胞研究仍面临挑战，尤其是雌性减数分裂，这限制了对 Spo11 功能和调控的全面理解。
Spo11 还有许多未知之处，Top6BL 的发现挑战了以往对 Spo11 功能需求的认知，新的变体和同源物不断被发现，它们揭示了 Spo11 在减数分裂中更细致的作用或全新的功能，理解 Spo11 可能是解开减数分裂核心奥秘及其演化的关键。
