编辑推荐：
本文聚焦联会复合体（SC），阐述其在真核生物减数分裂中的关键作用。虽 SC 超微结构保守，但蛋白序列差异大。文中探讨了 SC 蛋白进化特点，分析不同物种的进化模式，还介绍其新功能，对深入研究减数分裂和相关疾病意义重大。
引言：什么是联会复合体及其进化为何重要？
生物通过减数分裂产生单倍体配子以进行有性生殖。减数分裂是一个复杂过程，其中 DNA 复制后，同源染色体配对、程序性双链断裂（DSBs）形成、联会复合体（SC）组装、部分 DSBs 成熟为交叉互换（crossover）以及 SC 解体等步骤，对第一次减数分裂的成功进行至关重要。不过，果蝇（Drosophila melanogaster）和秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中 DSB 形成在 SC 组装之后，与多数生物不同。
SC 在交叉互换形成机制中起着直接作用。若 SC 组装或解体异常，会破坏交叉互换成熟，可能导致减数分裂细胞停滞，或者使成熟配子出现染色体非整倍体，引发人类不孕、流产和染色体非整倍体相关综合征 。
自 1958 年被发现以来，SC 在数百个物种中都有描述。其超微结构高度保守，呈典型的三方结构，由两个侧向元件（LE）和中央区域（CR）组成，多数物种的 CR 还有明显的中央元件（CE） 。然而，SC 的蛋白组分却在快速进化，不同研究模式生物，如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、拟南芥（Arabidopsis thaliana）、果蝇、秀丽隐杆线虫和小家鼠（Mus musculus）等，拥有独特的 SC 蛋白，彼此间无明显序列同源性。
此外，一些生物进化出了不依赖 SC 的减数分裂机制。比如果蝇雄性缺乏 SC 和交叉互换，许多甲藻、纤毛虫嗜热四膜虫（Tetrahymena thermophila）、真菌粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）和构巢曲霉（Aspergillus nidulans）等完全失去了 SC 。
SC 蛋白具有多种功能，不仅构建同源染色体间的结构，还参与与非 SC 蛋白的相互作用，促进交叉互换形成，甚至可能参与信号转导 。理解 SC 蛋白进化十分关键，有助于识别保守特征、解释物种特异性适应现象，并揭示蛋白质进化的普遍原理。
关于联会复合体蛋白进化我们所知的情况
研究发现，水螅（Hydra vulgaris）的 SC 蛋白更类似于脊椎动物，而与果蝇、秀丽隐杆线虫等模式无脊椎动物差异较大。系统发育分析表明，多数 SC 蛋白在多细胞动物和真后生动物中出现，而节肢动物和线虫所在的蜕皮动物超门中，SC 蛋白与其他多细胞动物差异巨大，难以识别为直系同源物。
以果蝇和秀丽隐杆线虫为研究对象，可深入了解驱动 SC 蛋白进化的机制。尽管二者的 SC 蛋白序列差异大，但功能相同。例如，果蝇的横向细丝（TF）蛋白 C (3) G 与广泛保守的后生动物 TF 蛋白 SYCP1 序列无法比对，但都能连接 LE 和 CE。
在果蝇中，所有编码 SC 蛋白的基因相对于基因组平均水平都处于正选择状态，且与染色质直接接触的 SC 蛋白受到的正选择压力小于 CE 中的 SC 蛋白 。这可能是因为果蝇雄性不构建 SC，蛋白功能仅受雌性约束，且果蝇 SC 在减数分裂中参与着丝粒聚集，在减数分裂前的有丝分裂中参与着丝粒配对 。此外，果蝇属内 CR 蛋白频繁基因复制，拥有复制 CR 基因的物种分支正选择程度更高，基因复制可能导致新功能进化或亚功能化 。不过，SC 基因在睾丸中的表达与之前认为的 SC 仅在雌性中表达驱动蛋白正选择和快速进化的观点相冲突，但果蝇精母细胞中逆转录转座子活性高，可能促进 SC 基因进化 。
线虫中，秀丽隐杆线虫属的 SC 蛋白虽进化迅速，但似乎是中性进化 。其 SC 蛋白全长及卷曲螺旋结构域高度保守，可能是因为卷曲螺旋结构域及其长度对 SC 功能重要，且无其他限制因素 。新发现的线虫 SC 蛋白 SKR-1 进化缓慢，序列保守，它和其旁系同源物 SKR-2 在真核生物中是 SCF E3 泛素连接酶的一部分，在线虫中被招募为 SC 的结构组分，且 SKR-1 在秀丽隐杆线虫胚胎发育中还有额外作用，这或许能解释其相对保守的原因 。同时，秀丽隐杆线虫中多个 SC 蛋白存在旁系同源物，也支持了 SC 基因进化受频繁基因复制影响的观点 。
联会复合体及其蛋白的新奇之处
在雌性家蚕（Bombyx mori）减数分裂 I 过程中，SC 结构会发生渐进性变宽 。研究表明，这实际上是 SC 的 LE 蛋白从粗线期到中期 I 的多次重组，形成的二价桥能使非重组同源染色体在同源染色体分离前保持结合，替代了通常由交叉互换实现的功能 。
在锥虫（Trypanosoma brucei）中，动粒的超微结构与 SC 相似，且鉴定出多个 SC 蛋白的直系同源物是动粒的组分，说明 SC 蛋白在进化中被重新利用成为动粒蛋白 。在不同的动质体物种中，有的 SYCP2 样蛋白可能获得了新功能，有的则保留了减数分裂功能 。
在文昌鱼中，SYCP1 基因发生逆转录转座，原基因可能丢失，新的逆转录基因进化出了新的 5′非翻译区并利用了附近的启动子，除在减数分裂中发挥功能外，还在早期胚胎发生中表达，功能未知 。在海鞘（Ciona intestinalis）和部分实验小鼠品系中也有 SYCP1 逆转录转座的报道，海鞘和文昌鱼在转座后原基因丢失，而小鼠的一次转座积累了许多突变不再转录，另一次似乎仍有功能 。
结论与展望
SC 是减数分裂 I 前期的关键结构，对交叉互换形成和减数分裂成功至关重要。其超微结构保守，但蛋白进化受不同选择模式影响，果蝇的 SC 蛋白在正选择下进化，秀丽隐杆线虫的则是中性进化 。基因复制在 SC 蛋白进化中频繁出现，对其多样化有重要作用，值得进一步研究。
目前，SC 蛋白进化的机制研究仍不足，可能是因为在其他物种中识别 SC 蛋白存在困难 。不过，随着基因组和转录组数据的发展，结合已鉴定的保守区域，有望克服这些障碍 。此外，仅靠系统发育分析不够，研究更多样生物的减数分裂，尤其是非哺乳动物系统，以及 SC 蛋白的新功能，有助于揭示其序列特征变化，加深对 SC 多样性的理解。
本文研究工作得到了斯托尔斯医学研究所（Stowers Institute for Medical Research）的资助。
