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以色列科学家利用斑马鱼模型揭示偶线期纤毛调控减数分裂花束和生殖细胞发育新机制

作者:luojiao 发布时间:2022/6/28 4:00:00
撰文:王小四

减数分裂是有性生殖生物产生单倍体配子的必要细胞程序。在减数分裂前期诱导的双链断裂需要通过同源重组修复,这一过程需要同源染色体配对和联会复合体(synaptonemal complex, SC)的形成。联会复合体由联会复合体蛋白(Sycp1-3)组成,它们在染色体之间和沿着染色体轴组装。这些蛋白与减数分裂粘连蛋白一起连接同源染色体,并将它们连接在一起以执行重组。在配对过程中,端粒发挥着独特的功能:在细线期,端粒与核膜上的Sun/Kash复合体相连,后者通过动力蛋白与核周微管相关联。这有助于端粒在细线期-偶线期阶段围绕核膜旋转,从而打乱染色体,推动它们寻找同源序列。在这些阶段,核周微管从中心体微管组织中心发出。最终,旋转的端粒被拉向中心体,聚集在核膜的一侧,而它们的染色体则环状地绕到另一侧——这种结构被称为“偶线期染色体花束”(zygotene chromosomal bouquet)(图1)。


图1 染色体花束的构造和形成过程

这些端粒动力学对染色体联会、同源重组和生育能力至关重要。端粒聚集被认为可以稳定同源染色体之间的初始配对,在斑马鱼中,花束被提出作为染色体配对的中心。尽管花束结构在1900年就被发现,并在酵母到哺乳动物都保守。然而,在旋转的端粒中,花束形成的细胞质对应物是如何受到机械调控的,目前尚不清楚。这种旋转力是如何产生的,如何平衡以允许运动,然后在正确的阶段停止,也不清楚。

近日,以色列耶路撒冷希伯来大学Yaniv M. Elkouby研究组在Science上发表题为“Control of meiotic chromosomal bouquet and germ cell morphogenesis by the zygotene cilium”的研究论文,鉴定到卵母细胞的“偶线期纤毛”(“zygotene cilium”)。这些纤毛延伸至整个生殖系囊腔,为染色体花束提供了线缆系统。并证明纤毛锚定中心体以平衡端粒的拉力。这为生殖方面的纤毛病提供了线索,并表明纤毛可以控制染色体动力学。

该研究团队通过扫描电镜和透射电镜分析等实验方法发现从中心体发出的乙酰化微管蛋白的纤维状结构是“9+0”非运动型纤毛。它是一种在前期卵母细胞前所未知的纤毛,特异存在于细线-偶线期和偶线期花束期阶段。

为了研究产生染色体运动是否需要偶线期纤毛,该研究团队对cep290kif7cc2d2a这三种人类纤毛疾病的斑马鱼突变体模型的卵巢进行详细的延时摄影,发现偶线期纤毛不是染色体旋转力的基本产生体,而是通过锚定染色体花束中心体来平衡端粒的运动,对于联会复合体形成是必需的。缺失偶线期纤毛导致生殖细胞囊腔分解,因此损害了小鼠或斑马鱼的卵子发生过程和正常生殖。


图2 偶线期纤毛锚定中心体是端粒聚集成束和联会合体形成所必需的

总的来说,纤毛对于染色体花束和联会复合体的形成,卵子、卵巢发育以及生殖至关重要。因此,纤毛在斑马鱼和小鼠减数分裂中扮演着保守的角色,这为生殖方面的纤毛病提供了线索,并表明纤毛可以控制染色体动力学。

值得指出的是,该研究所用到的突变体均为全身性的突变,因此无法完全排除文中所报道的减数分裂障碍是由于非生殖细胞自主性原因所导致。建立生殖细胞特异的基因敲除技术和条件性敲除品系,将有助于更加深入揭示这一调控过程。

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