染色体轴形态发生新机制：TRiC/CCT分子伴侣调控减数分裂HORMAD蛋白构象转换与交叉形成

《Nature Communications》：A nuclear TRiC/CCT chaperonin assembles meiotic HORMAD proteins into chromosome axes competent for crossing over

研究团队针对减数分裂染色体轴组装过程中HORMAD蛋白构象调控机制不明的科学问题，通过遗传筛选发现TRiC/CCT分子伴侣的CCT-4亚基通过空间限制性折叠机制调控mHORMADs蛋白的构象转换，证实核内TRiC通过局部折叠HIM-3等蛋白形成结合能力构象，确保同源染色体配对和交叉形成的准确性，为减数分裂染色体动力学调控提供了新范式。

　　

在真核生物减数分裂过程中，染色体轴的精确组装是确保同源染色体正确配对、联会和形成交叉的关键基础事件。染色体轴主要由 cohesin 复合体和减数分裂特异性HORMA结构域蛋白（mHORMADs）构成，这些蛋白通过构象转换调控其与染色质的结合状态。尽管已知mHORMADs蛋白在闭合构象（closed conformation）和开放构象（open conformation）之间动态转换，但细胞如何时空特异性调控这些构象转换以确保染色体轴的正确组装仍是不解之谜。

秀丽隐杆线虫（C. elegans）作为模式生物，其四个mHORMADs蛋白（HIM-3, HTP-1, HTP-2, HTP-3）直接相互作用组装染色体轴，其中HTP-3首先结合染色质，随后招募其他mHORMADs蛋白。这些蛋白通过其HORMA结构域与HTP-3 C端尾部的多个短序列（称为闭合基序 closure motifs）结合，从部分展开状态转换为闭合状态。然而，这些结合事件如何被限制在染色体轴组装过程中而不发生异常聚合，以及何种分子机制调控mHORMADs的构象转换，一直是领域内未解决的重要问题。

本研究通过巧妙的遗传筛选策略，发现分子伴侣TRiC/CCT（Tailless complex peptide 1 Ring Complex/Chaperonin Containing TCP-1）在染色体轴形态发生中发挥关键作用。研究人员利用him-3(S35F)突变体（该突变导致HIM-3蛋白第35位丝氨酸被苯丙氨酸取代，延迟染色体轴组装）进行抑制突变筛选，分离出cct-4(P382S)突变，该突变能恢复mHORMADs的染色体定位。CCT-4是TRiC/CCT复合物的δ亚基，研究发现它与减数分裂染色质相关联，并与mHORMADs形成体内复合物。生殖系中破坏TRiC功能会导致染色体轴缺陷，表明TRiC在减数分裂染色体旁发挥核功能。

研究人员提出创新性模型：染色体相关的TRiC局部折叠mHORMADs蛋白，使其形成结合能力构象（binding-competent conformation），这是轴形态发生所必需的。更广泛地说，这些结果支持了空间限制性折叠模型，即TRiC/CCT通过这种机制控制多聚复合物的组装，这些复合物在紧密协调的事件中发挥作用。

本研究主要采用了几项关键技术方法：一是利用EMS诱变筛选和CRISPR-Cas9基因组编辑技术构建系列突变体；二是通过免疫荧光染色和共聚焦显微镜分析进行细胞学定位研究；三是采用荧光原位杂交（FISH）技术分析染色体配对状态；四是通过免疫共沉淀和蛋白质分级分离技术验证蛋白质相互作用；五是利用AlphaFold3进行蛋白质结构预测分析。研究所用线虫样本均为实验室标准N2 Bristol背景品系。

him-3(S35F)突变体显示延迟的轴组装而被cct-4(P382S)抑制

通过分析him-3(S35F)突变体早期配对阶段，发现HIM-3S35F表现出可变的定位模式，表明其染色体招募存在缺陷。定量测量显示，在早期过渡区（TZ）核中，HIM-3S35F与HTP-3的共定位系数降低到野生型水平的59%，但到中期粗线期达到97%。这些结果表明him-3(S35F)突变体在HIM-3S35F的早期加载中存在缺陷，但一旦加载，就能达到支持联会复合体（SC）形成所需的水平。

CCT-4P382S恢复him-3(S35F)突变体中染色体与细胞骨架力量的连接

研究发现him-3(S35F)突变体中常染色体配对中心（PC）结合蛋白ZIM-3在任何阶段都检测不到，表明在PC结合蛋白招募阶段，与轴相关的HIM-3水平不足。而在cct-4(P382S)存在下，ZIM-3重新出现在被抑制生殖系的极化TZ核的核周边。

CCT-4P382S部分恢复him-3(S35F)突变体中的染色体配对及其与联会的协调

通过荧光原位杂交（FISH）分析配对水平，发现him-3(S35F)突变体从减数分裂前期的早期阶段就表现出严重的配对缺陷。在him-3(S35F); cct-4(P382S)被抑制的生殖系中，TZ核中的配对水平保持在him-3(S35F)突变体水平，但随着前期的进行稳步上升到47%，比同一阶段him-3(S35F)突变体核中的水平高3倍。

cct-4(P382S)定义了CCT-4与HIM-3轴定位所需的界面

研究发现cct-4(P382S)抑制依赖于him-3蛋白的存在，并且仅限于S35F突变。cct-4(P382S)不影响him-3无效突变体的胚胎致死率和高发生率雄性（him）表型，表明抑制需要him-3蛋白。研究人员还测试了另外两个him-3 hypomorphs（e1256和me80），cct-4(P382S)不抑制这些突变的胚胎致死率或Him表型，表明cct-4(P382S)抑制特异性针对him-3(S35F)等位基因。

htp-3(S37F)和htp-1(S38F)突变体的轴形态发生缺陷被CCT-4P382S抑制

研究人员通过CRISPR基因组编辑将S35F取代引入HTP-3和HTP-1的对应丝氨酸位点（S37F和S38F），发现这些突变体在轴定位方面表现出缺陷，而CCT-4P382S能够部分抑制这些加载缺陷。

cct-4(RNAi)导致轴形态发生、PC蛋白招募和联会缺陷

通过RNAi敲低单个cct基因，发现处理过的雌雄同体是不育的。在cct-4(RNAi)生殖系中，TZ核缺乏该阶段特征的染色质极化，但HIM-3可以在染色体上检测到，表明核已进入减数分裂前期。在这些核中，HIM-3在轴上的定位被严重破坏，ZIM-3没有定位到核周边。

核内CCT-4/5与mHORMADs形成体内复合物

研究发现CCT-4在野生型生殖系中表现为细胞质焦点，但在有丝分裂和减数分裂细胞中也显示丰富的核定位。在减数分裂前期，CCT-4被检测为明亮的点状核信号，在观察核体积时与染色质广泛重叠。

研究结论和讨论部分强调，这项工作揭示了TRiC在减数分裂轴形态发生中的关键核功能。cct-4（TRiC/CCT复合物的δ亚基）与mHORMADs蛋白在体内相互作用，是它们轴定位所必需的。这些结果表明分子伴侣在调控导致交叉形成的减数分裂过程中发挥重要作用。

基于这些数据和其他证据，研究人员提出与减数分裂染色体相关的TRiC将自身闭合的mHORMAD蛋白转换为开放或未扣合构象，使其在轴组装过程中能够与相互作用蛋白结合。研究结果提示减数分裂轴组装在局部蛋白质折叠和mHORMADs结合能力形式释放水平上受到调控，这可能是协调减数分裂前期事件的一种机制。

这项研究的重要意义在于首次揭示了TRiC/CCT分子伴侣在减数分裂染色体轴组装中的核功能，提出了空间限制性蛋白质折叠调控多蛋白复合物组装的新模型，为理解减数分裂染色体动力学调控提供了全新视角，对生殖生物学和遗传性疾病研究具有重要启示作用。论文发表在《Nature Communications》期刊，为减数分裂研究领域提供了创新性的理论基础和实验依据。