BAF-1-VRK-1介导的减数分裂染色体从核 periphery释放对基因组完整性的关键作用

《Nature Communications》：BAF-1–VRK-1 mediated release of meiotic chromosomes from the nuclear periphery is important for genome integrity

本研究揭示了在秀丽隐杆线虫减数分裂早期，VRK-1激酶通过磷酸化BAF-1介导染色体从核 periphery释放的新机制。研究人员发现，干扰此过程会导致染色体配对延迟、联会异常、卵母细胞染色体畸变及凋亡增加。长读长测序显示VRK-1缺失后代中出现大量缺失和重复变异，凸显了BAF-1-VRK-1模块在配子形成过程中维持基因组稳定性的重要性。

　　

在生命的神秘舞蹈中，减数分裂是一场精心编排的染色体芭蕾，确保遗传信息准确传递给下一代。然而，这场舞蹈背后隐藏着许多未解之谜：当染色体在细胞核内快速运动时，它们是如何及时从核膜周边解放出来的？这种解放是机械运动的被动结果，还是存在特定的分子机制主动调控？这个问题一直困扰着细胞生物学家。

以往研究表明，快速的前期染色体运动对于父母源同源染色体的准确排列和联会复合体的成功形成至关重要。这些运动由细胞质力量驱动，通过跨膜蛋白传递到染色体末端附着点。在许多发育阶段，特定的基因组架构通过染色质与核周边接触介导特异性基因表达。然而，染色质是否作为染色体运动的结果被从核周边移除，或者通过特定机制被移除，尚不完全清楚。

发表在《Nature Communications》的这项研究给出了答案。研究人员发现了一个通过疫苗相关激酶(VRK-1)依赖性磷酸化屏障自整合因子1(BAF-1)来移除染色质与核周边接触的机制。当这一机制被破坏时，染色体配对延迟，联会出现异常，产生染色体异常的卵母细胞并伴随 elevated apoptosis（细胞凋亡增加）。更重要的是，长读长测序技术在缺乏VRK-1的后代中检测到了缺失和重复变异，强调了BAF-1-VRK-1模块在配子中维持基因组稳定性的重要性。

研究团队主要采用了条件性基因敲除系统、免疫荧光染色、活细胞成像、多重荧光原位杂交、染色体铺片、蛋白质印迹分析和牛津纳米孔长读长测序等技术方法。其中样本来源于秀丽隐杆线虫的生殖腺组织。

VRK-1调节卵母细胞中的染色体组织和锚定

研究人员利用辅助素诱导降解系统研究了VRK-1在减数分裂不同阶段的作用。结果显示，VRK-1缺失导致染色质重组显著受损，染色体在核周边的锚定增强。通过多重DNA荧光原位杂交技术，他们发现VRK-1缺失显著降低了染色体之间的三维重叠程度，表明染色体空间组织异常。

BAF-1是VRK-1激酶介导染色体重组的关键靶点

实验证明BAF-1是VRK-1在减数分裂期间的关键作用靶点。当同时缺失VRK-1和baf-1时，染色体重组缺陷得到挽救。特别重要的是，BAF-1第4位丝氨酸(Ser4)的磷酸化对生殖系发育和减数分裂至关重要，该位点的突变模拟了VRK-1缺失的表型。

VRK-1缺失导致减数分裂缺陷

VRK-1缺失导致联会复合体形成延迟且不完全，交叉重组因子MSH-5的招募显著延迟，ZHP-3从联会复合体到交叉点的撤回也明显延迟。这些缺陷最终导致生殖系细胞凋亡增加，表明染色体"过度锚定"严重影响了减数分裂核心过程。

VRK-1缺失导致双线期卵母细胞中出现异常染色体

经过50小时VRK-1缺失处理后，卵母细胞中DAPI染色体的数量显著增加，出现染色体片段和桥接结构。这些异常结构的形成依赖于SPO-11（介导DNA双链断裂形成）和MSH-5（参与交叉重组），表明它们来源于减数分裂DNA损伤修复异常。

早期减数分裂中短暂性VRK-1缺失产生可遗传的基因组变异

最令人惊讶的发现是，仅在减数分裂早期短暂缺失VRK-1，就足以在后代基因组中产生大量结构变异。通过牛津纳米孔长读长测序技术，研究人员发现缺失和重复变异的数量分别增加了2倍和3倍，其中大于10,000 bp的大片段变异增加了6倍以上。这些变异均匀分布在各染色体上，表明VRK-1-BAF-1模块的功能对全基因组稳定性都具有保护作用。

这项研究揭示了染色体重组不仅依赖于机械运动，还存在特定的分子机制主动调控染色质与核周边的分离。VRK-1通过磷酸化BAF-1来定时解除染色质锚定，这一机制对确保准确的染色体配对、联会和重组至关重要。当该机制失调时，会导致染色体结构异常、生殖细胞丢失，并产生可遗传的基因组变异。

这些发现不仅深化了我们对减数分裂机制的理解，更重要的是揭示了一个以前未知的产生大型基因组变异的机制。在人类中，类似的机制缺陷可能导致生殖障碍、出生缺陷甚至遗传性疾病。该研究为理解某些遗传性疾病的发生机制提供了新的视角，也为相关生殖健康问题的诊断和治疗提供了潜在靶点。

研究还发现，即使在减数分裂后期（双线期）缺失VRK-1，也会产生染色体内桥接结构，这表明BAF-1磷酸化在减数分裂多个阶段都具有重要作用，类似于果蝇中NHK-1（VRK-1的同源物）促进核仁形成的功能。这些染色体桥接可能由于染色质凝聚效率降低或BAF-1积累干扰同源重组的最终解决步骤而产生。

这项研究突出了VRK-1-BAF-1模块在保护减数分裂染色体完整性、维持正常卵母细胞库以及防止基因组变异方面的重要作用，为相关领域的研究开辟了新的方向。