PNAS：线虫蛋白揭示了不孕症

除了生殖细胞外，我们身体的每个细胞都有两条染色体。精子和卵细胞每条染色体都包含一个拷贝，其中包含来自我们父母的独特基因组合，这是一种进化技巧，使我们的后代具有遗传变异。精子和卵子是在减数分裂过程中产生的，这是一个由两条染色体复制的细胞将染色体数量减少到一条的过程。为了使减数分裂发挥作用，两条染色体必须完美排列并交换正确数量的遗传信息。任何偏差都会使生育处于危险之中。

联会复合体（synaptonemal complex，SC），这是一种拉链状的蛋白质结构，将亲本染色体端到端排列并固定在一起，以促进成功的遗传交换。无法调节这种交换是人类与年龄相关的不孕症的主要原因，并可能损害整个生命树的生育能力。人类、真菌、植物、线虫和任何有性繁殖的生物都使用SC来制造生殖细胞，即配子。尽管它很重要，但我们不了解SC内的蛋白质如何调节染色体相互作用，因为这个多步骤过程发生在内部器官中，并且不可能在实验室中重现。

在一项新的研究中，犹他大学的生物学家开发了一种方法来阐明线虫中SC的复杂相互作用。作者确定了三个指导染色体相互作用的蛋白质片段，并确定了它们相互作用的位置。他们的新方法使用了一种被称为基因抑制筛选的技术，这种技术可以作为研究抵抗传统结构分析的大型细胞组合的蓝图。

“这是一种锁定细胞系统的方法，这些系统太‘松散’了，无法使用依赖结晶的方法，”该研究的资深作者、犹他大学生物学副教授奥弗·罗格(Ofer roger)说。“细胞中的许多相互作用松散地结合在一起。问题是你不能在电子显微镜下观察它，因为没有什么是足够稳定的——所有的东西都在不断地运动。我们的方法甚至可以研究相对较弱或短暂的相互作用。”

这项研究发表在2023年12月6日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

鸟类，蜜蜂，还有线虫我们来深入研究一下减数分裂。染色体是由DNA组成的线状结构，当细胞分裂并代代相传时，染色体携带着遗传信息。正常细胞有一定数量的染色体;人类有46个，秀丽隐杆线虫有12个。染色体成对出现，称为同源染色体，它们携带着我们从父母那里继承的基因——一条来自母亲，一条来自父亲。当减数分裂开始时，同源染色体将自己排列成细长的结构，沿着称为轴的骨干组织。同源对的轴纵向排列，同时在平行轴之间形成联会复合体（synaptonemal complex，SC）。同源对的配对基因以相同的顺序排列，基因内部有微小的变化——这些变化使每个个体都是独一无二的。

“你可以把它想象成拉链，染色体的轴线就像你衬衫的两面。联会复合体（synaptonemal complex，SC）有点像拉链的牙齿，可以锁在一起，正确地拉住衬衫的两边。”

科学家们以前就知道秀丽隐杆线虫的SC是在同源物之间形成的，但U生物学家是第一个确定SC与自身相互作用以促进遗传交换的确切位置的人。

“当你在染色体之间交换信息时，你想要确保最后你仍然有两条完整的染色体，细胞这样做的方式是两条染色体完全对齐。所以，当你在它们之间交换片段时，你不会在这个过程中丢失任何信息。

如何分析松散的结构

研究人员培育了5万只在SC中存在温度敏感缺陷的线虫。在高温下，这些线虫无法形成将染色体连接在一起所需的SC蛋白拉链。没有拉链，减数分裂期间的基因交换要么根本没有发生，要么没有发生正确的数量。Lisa Kursel是博士后研究员，也是这项研究的主要作者。

“我们在适宜的较低温度下培养这些线虫，然后将它们暴露在一种化学物质中，这种化学物质会导致它们的染色体发生数百万次突变，然后观察是否有突变的线虫能在较温暖的温度下繁殖。”纠正线虫不育的化学诱导突变被称为抑制突变。“然后我们就知道抑制基因突变是否恢复了它们的生育能力。”

为了识别那些具有突变的动物，使它们再次具有生育能力，研究人员把线虫放在充满美味细菌的琼脂板上。有可繁殖线虫的琼脂盘很快就空了，因为它们的后代吃了食物。装有无菌线虫的琼脂培养皿在它们清理培养皿之前就死亡了，这让细菌得以繁殖。

一旦他们有了可繁殖的线虫，他们就可以测试这种突变是否“固定”了蛋白质拉链。然后，他们筛选dna上的每一个碱基对——1亿个碱基对——并确定哪些突变恢复了线虫的繁殖能力。他们发现所有有用的突变都发生在三种蛋白质的短片段上，SYP-1, SYP-3, SYP-4。此外，这些突变带有明显的相互作用特征。例如，当原始突变将电荷从正电荷变为负电荷时，有益的突变将电荷翻转回来。

“这是一个强有力的迹象，表明SYP-1、SYP-3和SYP-4像磁铁一样相互作用，正负区域相互吸引。”这种“粘性”的相互作用也有助于将染色体拴在一起。

Jesus Aguayo Martinez是一名生物学专业的大四学生，也是这项研究的合著者，他观察了线虫中没有原始sc破坏突变的抑制突变的行为。

“我们认为，既然原始突变单独产生了生育缺陷，那么单独具有抑制突变的线虫也会有生育缺陷。但事实并非如此，令人惊讶的是，正常线虫和只有抑制基因突变的线虫产生了相似数量的后代。”

下一个步骤

揭示SC在减数分裂中的作用可能有助于更好地了解人类的生育能力。SC在所有真核生物中都有类似的作用，从线虫到真菌到植物再到人类。英国罗格实验室之前的研究表明，这种结构本身看起来是一样的，并且在引入亲本染色体以促进交换方面也有类似的作用。然而，蛋白质成分的实际序列在生物体之间是不同的。这样的模式是不寻常的:大多数细胞结构都具有基本的功能，如细胞分裂、基因组复制或新陈代谢，这些结构都是高度保守的，实际上可以在不同的生物体之间交换。

“我们经常思考的一个问题是，最高法院有什么特别之处?为什么它可以做同样的事情，看起来一样，但由不同的构建模块组成?”罗格问道。

实验室研究人员正在对跨物种的SC进化，以及其他违背进化常识的细胞结构进行更多的分析。