中科院遺傳所PNAS發(fā)表新成果
日期：2016-09-08 09:10:06
程序性雙鏈斷裂（DSB）的形成，是同源重組的一個先決條件。聯(lián)會絲復(fù)合體（SC），稱為減數(shù)分裂特定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，為同源重組提供了一個適當?shù)目蚣堋烧咴跍p數(shù)分裂中都是必不可少的。據(jù)證明，在有絲分裂過程中，p31comet通過間接激活后期促進因子/細胞周期體狀態(tài)，而在細胞分裂中期向后期的過渡中發(fā)揮著重要的作用，但是減數(shù)分裂背后的根本功能，仍然是難以捉摸的。
9月6日，在國際學(xué)術(shù)期刊《PNAS》發(fā)表的一項研究中，來自中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所和淮陰師范學(xué)院的研究人員表明，水稻同源基因P31comet參與了減數(shù)分裂。這些研究結(jié)果揭示了P31comet通過與CENTRAL REGION COMPONENT 1 (CRC1)合作，在調(diào)節(jié)減數(shù)分裂DSB形成和SC裝配中發(fā)揮的作用。這些研究結(jié)果揭示了P31comet在水稻減數(shù)分裂中的功能，從而可能揭示了這個蛋白在植物中的一個特殊作用。本文通訊作者是中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)遺傳所的程祝寬研究員。
在減數(shù)分裂過程中，同源重組對于保證精確可靠的染色體分離，以及在遺傳信息的多樣化等過程中，起著至關(guān)重要的作用。減數(shù)分裂重組是由DNA雙鏈斷裂（DSBs）的形成而誘導(dǎo)的，通過Spo11催化——古細菌拓撲異構(gòu)酶(TopoVIA)一個亞基的功能性同源基因。在釀酒酵母中，九個相關(guān)的蛋白質(zhì)，包括Mre11、Rad50、Xrs2、Ski8、Rec102、Rec104、Rec114、Mei4和Mer2，是促進Spo11的催化反應(yīng)所必需的。在粟酒裂殖酵母中，七個DSB形成相關(guān)蛋白已被確定。Rec6已被確定為保證減數(shù)分裂DSB形成的一個重要組成部分，并且它分別與rec12和rec14形成了一個復(fù)合物，Spo11和Ski8的直系同源物。此外，該Mde2蛋白——在釀酒酵母中缺乏一個同源基因，也是DSB形成所必需的。然而，Rad50、Mre11和Xrs2同源基因，對于裂殖酵母以及小鼠和植物DSB的形成是可有可無的，但它們是減數(shù)分裂DSB加工所必需的。在小鼠中，除了保守的蛋白Spo11之外，Mei4和Rec114也被確定為參與DSB形成的關(guān)鍵部件。此外，Mei1被公認為是一個重組相關(guān)的因素，而在釀酒酵母和裂殖酵母中沒有同源基因。最近，有研究認為，小鼠TOPOVIBL蛋白與SPO11形成復(fù)合物，并參與減數(shù)分裂DSB形成。
在植物中，擬南芥AtSPO11-1、AtSPO11-2和AtSPO11-3，與其他Spo11 / topo VIA蛋白質(zhì)共有序列相似性。AtSPO11-1和AtSPO11-2，作為異源二聚體的一個亞基，對于DSB形成是必不可少的，而AtSPO11-3根本不是DSB形成所必需的。最近有研究發(fā)現(xiàn)，古細菌topo VIB亞基（MTOPVIB）的擬南芥同系物，與SPO11-1/2異源二聚體相互作用，并參與DSB形成。除了那些SPO11蛋白家族成員，還有四個成員是擬南芥DSB形成所必需的：AtPRD1、AtPRD2、AtPRD3和AtDFO。AtPRD1與MEI1共有序列相似性。AtPRD2似乎是酵母ScMei4和SpRec24的同系物。AtDFO和AtPRD3是植物特異的蛋白。在水稻中，只有OsSPO11-1、OsSPO11-4、OsSDS和CENTRAL REGION COMPONENT 1 (CRC1)對于DSB的形成是必不可少的。
以往的研究已證實，染色體聯(lián)會可以是獨立于或依賴于重組。前者在秀麗隱桿線蟲和雌性果蠅中得以主要描述，其中聯(lián)會復(fù)合體（SCs）的形成和重組是獨立的。后者是在大多數(shù)生物中發(fā)現(xiàn)的，包括植物，其中染色體聯(lián)會依賴于重組。SC是一個高度有序的、階梯狀的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，沿同系物整個長度促進緊密的聯(lián)系。SC裝配開始于前期I，同時形成兩個類似的軸向分子（AEs），由中央元件（CEs）連接。水稻有兩個AE組件，PAIR2和PAIR3，和一個TF蛋白ZEP1。最近，CRC1一直被公認為是水稻中一個新的SC中心區(qū)。它編碼一個保守的AAA-ATP酶，并且是Pch2 /甲狀腺激素受體相互作用蛋白13（TRIP13）的同系物，后者首次被公認為是芽殖酵母以及線蟲、果蠅中的一個粗線期檢查點基因。然而，小鼠TRIP13缺陷型性母細胞經(jīng)歷了染色體聯(lián)會。
有絲分裂阻滯缺陷2（MAD2）作為紡錘體組裝檢查點的一個關(guān)鍵部件，可延遲后期促進復(fù)合物/ cyclosome（APC / C）活性的開始。在HeLa細胞中，P31comet首先被確定為一個Mad2相互作用蛋白，并被命名為CMT2。CMT2的過表達可導(dǎo)致分離酶抑制蛋白的過早破壞，并允許退出有絲分裂，而CMT2誘導(dǎo)的細胞死亡的沉默，伴隨有短暫的后期延遲。CMT2更名為p31comet是由于其在有絲分裂過程中，彗星樣的尾巴定位模式。CMT2/p31comet的主要作用是抵消MAD2功能，進而促進APC/C的激活，從而導(dǎo)致分離酶抑制蛋白和細胞周期蛋白B的降解。研究人員對Mad2-p31comet二聚體的晶體結(jié)構(gòu)進行了分析，認為p31comet是模仿Mad2的結(jié)構(gòu)來抑制Mad2二聚化，從而允許有絲分裂檢查點滅活過程中的中期/后期過渡。最近的研究表明，TRIP13與p31comet連接，以分解有絲分裂期檢驗點復(fù)合體（MCC）。
在人類細胞中紡錘體組裝檢查點（SAC）的時候，雖然p31comet作為Mad2的一個相互作用的合作伙伴，但是，CMT2/p31comet在減數(shù)分裂中發(fā)揮了什么作用，仍不清楚。
在這項研究中，研究人員詳細描述了水稻P31comet基因，并提出了它在減數(shù)分裂中的具體作用。他們發(fā)現(xiàn)，水稻P31comet對于SC安裝是必不可少的，因為P31comet和ZEP1的共存模式，也因為P31comet和CRC1之間的相互作用。研究人員還發(fā)現(xiàn)，P31comet在減數(shù)分裂DSB形成中發(fā)揮必不可少的作用。盡管他們報道稱P31comet在減數(shù)分裂進程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，但是其詳細功能還需要更深入的調(diào)查。
研究人員發(fā)現(xiàn)，P31comet與其同系物共有序列同源性，從而表明這些蛋白質(zhì)可能有共同的祖先。然而，水稻P31comet突變體并沒有表現(xiàn)出明顯的缺陷，無論是在減數(shù)分裂紡錘體組裝還是在減數(shù)分裂從絲球期到后期I進程的延遲。P31comet在水稻減數(shù)分裂中的一個重要功能就是參與DSB形成，模仿其Y2H相互作用蛋白CRC1。CRC1與PAIR1相互作用，并可能在這項DSB形成相關(guān)蛋白之間建立了一種橋梁關(guān)系。雖然通過酵母雙雜交法沒有檢測到PAIR1和P31comet之間的相互作用，但是研究人員推測，CRC1/P31comet可能與PAIR1協(xié)調(diào)，以促進DSB的形成。
