植物減數(shù)分裂中聯(lián)會復(fù)合體的研究進展

范竹萱， 宋 瑩， 曹剛強， 位 芳

(鄭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 鄭州 450001)

減數(shù)分裂是有性生殖中產(chǎn)生單倍體配子所必須經(jīng)歷的一個細胞分裂過程，一直是生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。植物是研究減數(shù)分裂的良好材料，隨著擬南芥、水稻、玉米等模式植物的基因組測序完成以及反向遺傳學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，植物中減數(shù)分裂的研究取得了巨大的進步。通過借助分子生物學(xué)和細胞學(xué)技術(shù)，對植物減數(shù)分裂過程的研究有了更長足的進展。

同源染色體聯(lián)會事件是引起物種多樣性和物種分化的主要原因之一。聯(lián)會(Synapsis)是減數(shù)分裂前期Ⅰ中同源染色體兩兩配對的過程，在大多數(shù)的真核生物中，同源染色體聯(lián)會后，之間形成一個在光學(xué)顯微鏡下可觀察到的高度保守亞顯微蛋白結(jié)構(gòu)——聯(lián)會復(fù)合體(Synaptonemal complex， SC)。1956年Moses和Fawcett在用電鏡觀察蝲蛄、家鴿以及人的初級精母細胞超薄切片時發(fā)現(xiàn)并命名[1]。SC是減數(shù)分裂特有的超蛋白結(jié)構(gòu)，為同源染色體的重組提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并在交叉的形成和基因交換中有著重要的作用[2-3]。如果聯(lián)會復(fù)合體在形成過程中發(fā)生突變或受損，將造成減數(shù)分裂異常，交叉頻率下降，最終導(dǎo)致植株敗育[3-4]。本文主要綜述植物減數(shù)分裂過程中SC的組成、形成過程以及目前克隆的SC相關(guān)基因，并對植物減數(shù)分裂研究的未來做出展望。

1 SC的組成

1.1 SC的基本組成

SC是一個在進化上高度保守的典型的三分結(jié)構(gòu)，在動物和植物中其結(jié)構(gòu)也基本相同。電子顯微鏡下觀察SC外觀呈梯子狀形似鐵軌，由中央組分(Central element, CE)、橫向細絲(Transverse filament， TF)和兩個側(cè)向組分(Lateral elements， LEs)組成 (圖1)。聯(lián)會時，同源染色體沿著染色體全長在兩條姐妹染色單體之間形成一個線性蛋白軸即軸向組分(Axial element，AE)。AE裝配成熟后在其基礎(chǔ)上形成側(cè)向組分LE構(gòu)成聯(lián)會的框架，是SC最復(fù)雜的部分，能夠連接姐妹染色單體，并在染色體凝集、配對中有著重要作用。在大部分真核生物中， LEs都含有HOMRMA結(jié)構(gòu)域[5]。在 AE/LE的周圍存在著由染色質(zhì)纖維組成的平行環(huán)狀結(jié)構(gòu)稱為染色質(zhì)袢環(huán)，其通過減數(shù)分裂特異的軸蛋白拴在堿基上[6-7]。LE穿過SC的中心部分，通過橫向細絲TF形成的梯狀或拉鏈狀結(jié)構(gòu)連接LEs和CEs組成完整的SC[5,8]。在出芽酵母、果蠅、線蟲以及擬南芥中都有過TF蛋白的相關(guān)報道，而且不同物種TF蛋白在結(jié)構(gòu)上具有相似性：在中心區(qū)域有一個螺旋卷曲結(jié)構(gòu)域，兩末端為球形結(jié)構(gòu)域[8]。TF蛋白形成的同源二聚體的方向是固定的，頭部在兩側(cè)LE中間重疊，C末端朝LE方向排列，反向的N末端相互平行并重疊，共同形成SC的中央組分CE。

1.2 SC的其他組成成分

重組節(jié)(Recombination nodule，RN)是存在于LE之間的一個電子密度較大的“結(jié)節(jié)”(圖1)，最早在麝香百合的SC超微結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)。RN附著于SC的中央組分上，呈圓形或橢圓形，可被磷鎢酸染色。重組節(jié)上含有同源染色體交換所需要的酶，與同源染色體間的聯(lián)會和交換有關(guān)。在1989年Moens等的相關(guān)研究中顯示SC的組成成分也包含解旋酶。

2 SC的形成

一般認為在減數(shù)分裂前期Ⅰ中，聯(lián)會復(fù)合體從細線期逐漸形成，偶線期開始組裝，粗線期趨于成熟并發(fā)揮功能，雙線期開始解體。Higgins等通過對酵母、擬南芥等研究發(fā)現(xiàn)SC的形成依賴重組起始以及早期重組中間產(chǎn)物處理[9]。SC是一個進化保守的減數(shù)分裂結(jié)構(gòu)，SC的軸向組分最早散亂地出現(xiàn)在G2期。細線期同源染色體凝集并進行同源搜索，AE沿著染色體臂延長并且連接姐妹染色單體。直至偶線期前期同源序列被識別，同源染色體逐漸毗鄰，軸間緊密并列，此時形成連續(xù)的橫向細絲TF蛋白并連接AEs，同源染色體聯(lián)會發(fā)生。TF蛋白相互作用構(gòu)成SC的中央組分，同時AE一旦連接將形成成熟SC的側(cè)向組分LEs[10]。TF蛋白位于LE之間的區(qū)域，相互平行并且重疊形成CE。同源染色體在粗線期完成聯(lián)會并以完整的SC相連。雙線期起始解聯(lián)會，同源染色體已完成重組過程并通過交叉(Chiasma)相連[11]。

圖1 SC結(jié)構(gòu)模式圖

3 聯(lián)會復(fù)合體組分相關(guān)基因及功能

隨著植物基因組測序的完成和大量突變體庫的建立，研究者可以通過生物信息學(xué)的方法進行基因克隆，在不同的物種中確定目標基因的功能。在減數(shù)分裂進程中，同源染色體配對和聯(lián)會事件是保證染色體正常分離所必需的，同時也是實現(xiàn)基因交換的重要前提。雖然配對和聯(lián)會是兩個不同的生物學(xué)事件，但配對影響著聯(lián)會，兩者關(guān)系緊密，目前也沒有報道過某一基因能完全獨立控制某一過程。當前研究的聯(lián)會相關(guān)基因基本是從配對時期開始起作用進而影響聯(lián)會，對聯(lián)會本身的研究僅僅停留在聯(lián)會復(fù)合體各個組分的組成基因上，并且對中央組分相關(guān)基因的研究較少。表1列舉了模式生物中已經(jīng)克隆的SC組分及相關(guān)基因、所屬模式植物及主要突變表型。

表1 目前研究的植物減數(shù)分裂聯(lián)會復(fù)合體相關(guān)基因

3.1 ZYP1

ZYP1是高等植物中分離出來的第一個聯(lián)會復(fù)合體橫向細絲蛋白[11]，與酵母ZIP1同源。植物中ZYP1的功能主要表現(xiàn)在對 SC的影響上，ZYP1缺失聯(lián)會復(fù)合體不能形成，導(dǎo)致減數(shù)分裂前期Ⅰ的進程推遲，但是對重組交叉不會產(chǎn)生深遠影響。目前在植物中已克隆的與酵母ZIP1同源基因有擬南芥ZYP1a/ZYP1b，水稻ZEP1，玉米ZYP1和大麥ZYP1，雖然它們在氨基酸水平上同源性不高，但在結(jié)構(gòu)上非常相似：都含有螺旋卷曲結(jié)構(gòu)域。大麥zyp1突變體中，在中期二價體大量減少伴隨著單價體增多，導(dǎo)致染色體不分離和不育[12]。水稻zep1的突變體中 SC不能正常裝配，但同源染色體之間仍可形成重組交叉并均等分離，隨著減數(shù)分裂進程，在早期小孢子中仍可觀察到 ZEP1的裝載，表明 ZEP1在此過程中還有其他生物學(xué)功能[13]。

3.2 ASY1

植物中ASY1與酵母HOP1同源，是SC的側(cè)向組分，對染色體組裝和聯(lián)會有著重要作用。ASY1蛋白位于前期Ⅰ的染色體軸上，能使非姐妹染色單體相互毗鄰并消除姐妹染色單體間雜亂的相互作用，以保證聯(lián)會的正常進行[14]。擬南芥AtASY1、甘藍BoASY1和水稻OsPAIR2等基因目前已用突變體分析的方法被分離出來，突變體因同源染色體聯(lián)會的減少均表現(xiàn)為育性下降[15]。與擬南芥ASY1同源的PAIR2是水稻中編碼 HORMA結(jié)構(gòu)域的 AE組分基因，與asy1突變體相似，其 DSB水平正常，但是同源重組缺失，聯(lián)會中斷并導(dǎo)致交叉數(shù)目明顯減少[16]。ASY3和PAIR3也分別是擬南芥和水稻中的 SC的 AE組分，也分別是AtASY1和OsPAIR2正常定位所必需的，其突變體均表現(xiàn)出同源重組較少和聯(lián)會受阻[17]。

3.3 P31comet

P31comet最早發(fā)現(xiàn)于HeLa細胞中的與MAD2(Mitotic arrest-deficient 2)相互作用的蛋白，因為其在減數(shù)分裂時期形似彗星尾巴的定位模式而命名。在植物中，P31comet首次在水稻中分離出來并認為與減數(shù)分裂過程密切相關(guān)[3]。在水稻中P31comet是一個聯(lián)會復(fù)合體相關(guān)蛋白，定位在聯(lián)會復(fù)合體兩對側(cè)向組分之間的中央組分上。在p31comet的突變體中，同源染色體不能聯(lián)會和配對，終變期不能形成二價體，減Ⅰ后期染色體不能完成均等分離，最終導(dǎo)致植株敗育。P31comet在DSB形成中同樣發(fā)揮著重要的作用。

3.4 CRC1

CRC1是釀酒酵母pachytene checkpoint 2 (Pch2)和小鼠THYROID RECEPTOR-INTERACTING PROTEIN 13 (TRIP13)在水稻中的同源蛋白。水稻crc1突變體的營養(yǎng)生長正常但是花粉粒不能成活并且敗育。從偶線期到粗線期染色體不能正常配對，中期Ⅰ染色體散亂地分布在整個核中，后期Ⅰ染色體不能均等的向兩極移動。免疫定位實驗顯示，在粗線期后 CRC1的信號出現(xiàn)在 REC8的兩條線性信號之間并且在終變期 CRC1信號消失，說明 CRC1為聯(lián)會復(fù)合體的結(jié)構(gòu)蛋白，定位在 SC的中央組分上。此外， CRC1與 ZEP1共定位并且在減數(shù)分裂中對 PAIR2有補足作用[18]，同時CRC1的下調(diào)基因RAD51C對 DSB修復(fù)中也有重要作用[19]，說明CRC1的功能也涉及同源重組。

3.5 DSY2

玉米中DSY2(DESYNAPTIC2)是SC中AE/LE元件的組分，含有與ASY1同源的HORMA結(jié)構(gòu)域，能介導(dǎo)DSB修復(fù)并直接參與SC組裝。玉米dsy2突變體表現(xiàn)出同源染色體重組和聯(lián)會的缺失[20]。 Lee等克隆了玉米中的DSY2并發(fā)現(xiàn)DSY2與擬南芥ASY3和水稻PAIR3為直系同源，編碼 SC的 AE蛋白并含有一個螺旋卷曲結(jié)構(gòu)域，是維持 DSB正常水平和 SC組裝所必需的。并進一步證實 DSY2不僅和 ASY1同時也和中央組分 ZYP1互作[21]。

3.6 MTOP6B

減數(shù)分裂是由SPO11催化形成的DSB誘導(dǎo)起始的，SPO11與DNA拓撲異構(gòu)酶Ⅵ的A亞基直系同源。大部分真核生物至少含有一個與減數(shù)分裂同源重組相關(guān)的 SPO11蛋白，但是目前并沒有相關(guān)報道認為 DNA拓撲異構(gòu)酶 VI的 B亞基與減數(shù)分裂相關(guān)。Vrielynck等從擬南芥中分離出與TopoⅥB亞基結(jié)構(gòu)同源的MTOPⅥB，mtopⅥB突變體無二價體，聯(lián)會復(fù)合體信號完全消失且重組率下降。mtopⅥB的突變體同spo11-1，spo11-2突變體表現(xiàn)出一樣的減數(shù)分裂缺陷現(xiàn)象說明MTOPⅥB對減數(shù)分裂DSB形成有著重要作用[22]。水稻OsTOP6B缺失導(dǎo)致同源染色體間不能正常配對且無聯(lián)會形成，終變期形成24個單價體在中期散亂的排列在赤道板上，最終形成形狀和大小異常的四分體，導(dǎo)致花粉敗育[23]。

4 結(jié)語與展望

聯(lián)會復(fù)合體與減數(shù)分裂同源染色體間的配對、聯(lián)會、重組和分離有著密切關(guān)系，是減數(shù)分裂中重要的蛋白結(jié)構(gòu)，對減數(shù)分裂的正常進行發(fā)揮至關(guān)重要的作用。相比酵母和哺乳動物，植物中SC組分鑒定較少。但隨著許多植物基因組測序的完成以及大量突變體庫的建立，已經(jīng)克隆出許多 SC組分基因，如擬南芥中的ASY1、ZYP1，玉米中的AFD1、DSY2等，這些基因的功能均已鑒定。不同物種中構(gòu)成聯(lián)會復(fù)合體組分的基因編碼的蛋白序列上保守程度并不高，但在結(jié)構(gòu)上卻高度保守，如 ASY1是最普遍存在的 SC結(jié)構(gòu)蛋白，在不同植物中的同源基因都含有 HORMA功能域;ZYP1在擬南芥中有兩個拷貝，但在玉米中只有一個拷貝。在目前研究中ASY1、ZYP1已作為識別SC的標志蛋白，為SC的相關(guān)研究提供了極大的便利。除此之外，PAM1、PHS1、SPO11-1、PCH2等位于聯(lián)會上下游的基因也會對SC的形成造成重大影響。然而，自SC發(fā)現(xiàn)至今的60余年內(nèi)，對其形成和調(diào)控的機理仍不清楚，大大影響了人們對減數(shù)分裂分子機制研究推進。隨著分子生物學(xué)和細胞學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，植物減數(shù)分裂聯(lián)會的研究將會更加清楚透徹，這不僅有利于人們對減數(shù)分裂調(diào)控機理的更深入研究，同時也將對經(jīng)濟作物、糧食作物的優(yōu)化育種提供巨大的貢獻。