SCEP3启动联会并实现拟南芥中交叉干扰的新机制

《Nature Plants》：SCEP3 initiates synapsis and implements crossover interference in Arabidopsis

本研究针对减数分裂中交叉（CO）数目和位置精确调控的机制问题，揭示了拟南芥新型联会复合体（SC）组分SCEP3在启动染色体联会、实施交叉干扰和保证交叉形成中的关键作用。研究人员发现SCEP3缺失导致同源染色体对齐但无法联会，交叉数量增加且向染色体末端聚集，丧失交叉保证。该研究阐明了SCEP3在减数分裂重组中的核心功能，为理解真核生物中交叉干扰的保守机制提供了重要见解。

　　

在真核生物有性生殖过程中，减数分裂是产生单倍体配子的关键细胞分裂过程。这一过程的精确性对于遗传多样性的产生和染色体正确分离至关重要。其中，同源染色体之间的交叉（CO）事件不仅确保染色体正确分离，还通过遗传重组产生新的等位基因组合。然而，减数分裂中交叉的形成并非随机，其数量和位置受到严格调控。每个同源染色体对至少需要一个交叉（称为交叉保证），同时交叉之间需要保持一定距离（称为交叉干扰）。这些精确调控的分子机制一直是减数分裂研究领域的核心问题。

在模式植物拟南芥中，五对同源染色体在减数分裂I期发生重组，形成约9个I类交叉（占总数85%）和约1个II类交叉（占总数15%）。I类交叉对交叉干扰敏感，负责交叉保证，而II类交叉则不受干扰影响。减数分裂重组由约200个程序性DNA双链断裂（DSB）启动，但仅有约5%的DSB最终成熟为交叉，其余95%通过非交叉方式修复。这一过程发生在染色体轴和联会复合体（SC）的背景下，SC是一种减数分裂特异的三联体蛋白质结构，负责调控交叉的数量和位置。

尽管已有研究鉴定出多个SC组分，如ZYP1、SCEP1和SCEP2等，但SC介导交叉干扰和保证的具体分子机制仍不清楚。特别是在多倍体拟南芥物种中，研究人员观察到已知SC基因无法完全解释减数分裂稳定性变异，提示可能存在未知基因影响交叉分布模式。这一发现促使研究团队深入探索可能参与交叉模式调控的新因子。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用三个独立的scep3转T-DNA突变体进行细胞学分析；通过免疫荧光定位研究SCEP3蛋白在减数分裂前I期的动态分布；采用酵母双杂交（Y2H）分析SCEP3与SC相关蛋白的相互作用；通过基因组测序分析F₂群体的交叉分布；使用尺寸排阻色谱多角度激光散射（SEC-MALS）分析SCEP3蛋白的自相互作用特性。

SCEP3是正常育性所必需的

三个独立的scep3突变体（scep3-2、scep3-5和scep3-6）的育性显著低于野生型。野生型每个长角果平均产生52±0.83粒种子，而scep3突变体的种子数量显著减少（scep3-2为32±0.9，scep3-5为39±1.3，scep3-6为25±0.7）。亚历山大染色显示scep3突变体的可育花粉粒也显著减少，但花粉活力平均仅降低6%，无法解释38%的育性下降，表明卵子发生受到更严重影响。

细胞学分析揭示scep3中的减数分裂缺陷

对花粉母细胞的细胞学分析显示，scep3突变体在细线期染色体与野生型无差异，但在偶线期和粗线期出现大的间隙。在双线期，scep3突变体出现单价体，而在野生型中未观察到单价体。scep3-2中每个细胞平均有1.9±0.2对单价体，后期I和II出现滞后染色体和染色质桥。尽管如此，scep3突变体仍能形成四个单倍体核。

SCEP3定位于染色体轴和SC

免疫定位显示，在野生型细线期，187±13个SCEP3N焦点定位于染色体轴，大小从0.001到0.35μm²不等。在偶线期，SCEP3N焦点从轴转位到SC中央区域，转变为更大的焦点（最大0.85μm²），并在粗线期持续存在。SCEP3C在偶线期和粗线期也定位于SC中央区域，与SCEP3N重叠。

SCEP3招募依赖于Spo11

在spo11-1突变体中，SCEP3N焦点数量显著减少，表明84%的SCEP3焦点可能定位于DSB位点。在dmc1突变体中，SCEP3N焦点数量显著增加，但大多数小于0.05μm²，很少转变为大焦点。hei10突变体中SCEP3焦点数量减少，但在粗线期仍观察到大型焦点。

SCEP3启动SC形成

scep3-2^-/-突变体中同轴距离为419nm，显著大于野生型的263nm。ZYP1N和ZYP1C以28±1和33±1个焦点形式加载，其中22个共定位，可能代表联会起始中心（SIC）。在scep3-2^+/-中，ZYP1完全聚合但SCEP3加载不连续。pch2突变体中观察到短片段ZYP1与均匀分布的SCEP3焦点共定位。

SCEP3在整个植物界中保守

SCEP3编码801个氨基酸的内在无序蛋白，预测有79%的无序区域，C末端有三个α螺旋。SCEP3的N端FxF和C端卷曲螺旋在植物界中保守，而内部不保守区域主要由极性和带电残基组成。

SCEP3与自身和SC蛋白相互作用

酵母双杂交分析显示，SCEP3C端与SCEP1、SCEP2和ZYP1b相互作用，C端卷曲螺旋与自身、SCEP1、SCEP2和ZYP1b相互作用。SCEP3N端与SCEP1和ZYP1b在TDO上生长。SCEP3与PCH2存在强烈相互作用。SEC-MALS分析显示SCEP3的C端卷曲螺旋主要形成1-2MDa的高分子量物种，表明其具有自相互作用能力。

SCEP3缺失增加交叉频率

基因组测序分析显示，scep3^-/-突变体平均每个个体有14个交叉，显著高于野生型的8.39个交叉。scep3^+/-平均有9.99个交叉，表明SCEP3存在单倍体不足。交叉分布分析显示，scep3^-/-突变体中交叉频率在间质区和亚端粒区增加，而在着丝粒周围区域减少。

scep3中观察到强烈的负干扰

顺式双交叉（cis-DCO）分析显示，scep3^-/-突变体中顺式双交叉向极短距离偏移，最短距离区间的频率是随机分布模型预期的两倍。重合系数（CoC）分析证实scep3^-/-存在强烈的负干扰和交叉聚集。

讨论与意义

本研究系统阐明了SCEP3在减数分裂中的三重功能：促进不依赖于SC的交叉形成、防止不依赖于SC的交叉聚集以及依赖于SC的防止额外交叉形成。SCEP3通过形成轴间桥连接和稳定 designated CO位点，随后转位至SC中央区域，招募PCH2去除轴间桥，从而实施正干扰和防止负干扰。

SCEP3在结构上类似于线虫的SYP-4和小鼠的SIX6OS1，表明其可能是真核生物中保守的SC组分。SCEP3的N端FxF和C端卷曲螺旋可能通过弱疏水相互作用促进SC形成，而其内在无序区域可能为蛋白质相互作用提供粘性界面。

这项研究不仅揭示了SCEP3作为SC中央元件的新功能，还为理解减数分裂中交叉干扰的进化保守机制提供了重要线索。SCEP3介导的交叉模式调控机制可能普遍存在于真核生物中，为未来研究其他物种中类似机制奠定了基础。该发现对理解减数分裂稳定性维持、遗传多样性产生以及相关生殖障碍具有重要意义。