申雪沂 牛長(zhǎng)敏 郭佳倩 馬海濤 夏靜 綜述 鄭英 審校
揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室(江蘇揚(yáng)州 225000)
雄性小鼠聯(lián)會(huì)復(fù)合體的研究進(jìn)展
申雪沂 牛長(zhǎng)敏 郭佳倩 馬海濤 夏靜 綜述 鄭英 審校
揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院組織學(xué)與胚胎學(xué)教研室(江蘇揚(yáng)州 225000)
聯(lián)會(huì)復(fù)合體(synaptonemal complex , SC)是同源染色體之間具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的階梯狀聚合亞蛋白復(fù)合體,大部分由減數(shù)分裂特異性蛋白組成,聯(lián)會(huì)復(fù)合體的裝配開始于第一次減數(shù)分裂前期早期。在細(xì)線期,被命名為軸成分(axial elements, AEs)的蛋白沿染色體軸形成;在偶線期,配對(duì)的同源染色體的AEs ,現(xiàn)在稱作為側(cè)向原件(lateral elements, LEs),按同源染色體縱軸方向排列并由中央?yún)^(qū)域(central region, CR),即由橫向纖維(transverse filaments, TFs)和中央元件(central element, CE),將其緊密連接;在粗線期時(shí),聯(lián)會(huì)復(fù)合體完成裝配并成熟;在雙線期時(shí),聯(lián)會(huì)復(fù)合體降解[1]。
聯(lián)會(huì)復(fù)合體調(diào)節(jié)同源染色體聯(lián)會(huì),是正確重組,同源染色體分離以及基因組單倍體化的關(guān)鍵因素[2]。 其作用是為聯(lián)會(huì),雙鍵斷開(double-strand break,DSB)修復(fù),同源染色體交叉提供框架[3]。若聯(lián)會(huì)復(fù)合體出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤,將會(huì)出現(xiàn)減數(shù)分裂阻滯,精母細(xì)胞凋亡,最終導(dǎo)致不孕不育[1,4]。本文以雄性小鼠為例,從聯(lián)會(huì)復(fù)合體蛋白組成及作用,裝配,與染色體重組之間的關(guān)系以及聯(lián)會(huì)復(fù)合體異常對(duì)精子發(fā)生的影響等方面進(jìn)行綜述。
(一)中央?yún)^(qū)域(central region, CR)
1.中央元件(central element,CE): 近年來,已鑒定出CE是由4種不同的減數(shù)分裂特異性蛋白SYCE1(Synaptonemal complex central element protein 1, SYCE1),SYCE2,SYCE3和TEX12(testis-expressed protein 12, TEX12)組成。
SYCE1和SYCE3以連續(xù)的方式與SYCP1(synaptonemal complex protein 1,SYCP1)共定位,它們的缺乏導(dǎo)致了聯(lián)會(huì)復(fù)合體三級(jí)結(jié)構(gòu)形成的失敗,表明SYCE1和SYCE3 的作用是聯(lián)會(huì)的開始[5]。Lu等[6]研究表明 SYCE3可能形成一個(gè)二聚體或更高結(jié)構(gòu)的低聚體, SYCE3的N’端螺旋與SYCE1的C’端螺旋相互作用,在形成聯(lián)會(huì)復(fù)合體的中心成分起關(guān)鍵作用;而SYCE1穩(wěn)固SYCP1 和CE之間的關(guān)系,是SYCE3 和SYCP1之間的橋梁。然而SYCP1的N’端與SYCE3之間的關(guān)系仍不清楚,免疫共沉淀也沒有顯示SYCE3能夠綁定SYCP1的N’端。
SYCE2由218氨基酸編碼而成,中心進(jìn)化上保守,有3個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu)盤繞卷曲結(jié)構(gòu),由側(cè)面分開,形成無組織形態(tài)的N’端和C’端。TEX12由123氨基酸編碼而成,進(jìn)化上高度保守,中心和C’ 端有3個(gè)α-螺旋盤繞卷曲結(jié)構(gòu),在N’端散開形成無組織結(jié)構(gòu)。SYCE2和TEX12組成高度穩(wěn)定的復(fù)合體結(jié)構(gòu),該復(fù)合體是一個(gè)SYCE2四聚體和兩個(gè)TEX12二聚體構(gòu)成,并以不連續(xù)的方式與SYCP1(TFs)共定位。它們的缺乏導(dǎo)致聯(lián)會(huì)的失敗,說明SYCE2和TEX12作用是聯(lián)會(huì)復(fù)合體延伸。完全同源染色體接合的完成可能是通過其開始點(diǎn)的重復(fù)和SYCE2-TEX12復(fù)合體的延長(zhǎng),最終形成同時(shí)且相互穩(wěn)定的CE和明顯的TFs排列[5]。
SYCE2和TEX12形成的復(fù)合體與SYCE1相互作用,而SYCE1 直接與SYCP1 相互作用,從而將中央成分錨定在TFs 上[4]。Davies等[5]用類似類推法,將聯(lián)會(huì)復(fù)合體比作“拉鏈”,SYCP1分子比作拉鏈的“齒”,那么SYCE2-TEX12復(fù)合體可能就是拉鏈的“鎖”,起滑動(dòng)鏈接作用,將“齒”從起始端依次鏈接,并延伸聯(lián)會(huì)復(fù)合體到整個(gè)染色體軸。
2.橫向纖維(transverse filaments, TFs):SYCP1 是一個(gè)纖維狀分子,是TFs 的主要成分,中央明顯a-螺旋結(jié)構(gòu)盤繞卷曲結(jié)構(gòu),側(cè)面以球狀N’端和C’端 結(jié)尾 ,SYCP1 主要是通過盤繞結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)同型相互作用。SYCP1自身能夠形成多聚復(fù)合物,即是類似于SCs的堆疊。改變SYCP1中心a-螺旋區(qū)域的長(zhǎng)度會(huì)影響多聚復(fù)合體寬度,刪除非螺旋的N’端或C’端則會(huì)影響多聚復(fù)合體裝配。因此,SYCP1是聯(lián)會(huì)復(fù)合體寬度的決定因素[1,7]。電鏡發(fā)現(xiàn),交替的LEs和不同密度特性的CE通過TFs相連,SYCP1分子形成的多聚復(fù)合體N’端位于CE 處,C’端與LE結(jié)構(gòu)相關(guān),說明SYCP 1是聯(lián)會(huì)復(fù)合體真正的結(jié)構(gòu)組成蛋白之一[1]。
(二)側(cè)向元件(lateral elements,LE)
近年來, 側(cè)向組分是研究的熱點(diǎn),側(cè)向元件構(gòu)成了聯(lián)會(huì)復(fù)合體的基本框架,也是聯(lián)會(huì)復(fù)合體最為復(fù)雜的部分,涉及很多蛋白之間的協(xié)調(diào)組裝,如非粘連蛋白(Non-Cohesins)、粘連蛋白(Cohesins)和濃縮蛋白(Condensins)等,但在闡述時(shí),一般將非粘連蛋白作為AEs/LEs的構(gòu)成部分[8]。
1.非粘合蛋白(Non-Cohesins): 哺乳動(dòng)物中的非粘連蛋白主要是SYCP2和SYCP3。SYCP3形成高度延長(zhǎng)的20nm螺旋形四聚體,SYCP3四聚體的螺旋鏈交織成一個(gè)相互反平行樣式,在每個(gè)四聚體尾端都有兩個(gè)N’端和C’端[9]。SYCP3的作用是其N’端序列形成高度延伸的類桿狀結(jié)構(gòu),兩端都能與雙鏈DNA相連,使得SYCP3能夠沿著姐妹染色單體遠(yuǎn)距離位點(diǎn)聯(lián)接。SYCP2在進(jìn)化上保守,通過其卷曲環(huán)繞區(qū)域與SYCP3結(jié)合,使得SYCP2和SYCP3能夠形成異二聚體。SYCP3和SYCP2復(fù)合體是聯(lián)會(huì)復(fù)合體的真正結(jié)構(gòu)組成蛋白之一[1,9-10]。
2.粘連蛋白(Cohesins): 粘合蛋白,又稱粘連蛋白復(fù)合體(Cohesin complexs), 具有亞基亞蛋白結(jié)構(gòu),在哺乳動(dòng)物有絲分裂和減數(shù)分裂中,形成粘連蛋白復(fù)合體的4種核心亞基有所區(qū)別。
在有絲分裂中,粘連蛋白復(fù)合體的4種亞基分別為Smc1a (structural maintence of chromosomes 1a, Smc1a)、Smc3 、Rad21(Sisterchromatid cohesion1, Scc1/ Rad21)、STAG1或STAG2(stromalin antigens 1 and 2, STAG1,STAG2)[3,8]。 Smc1a和Smc3是染色體結(jié)構(gòu)維持蛋白家族成員,是具有不尋常結(jié)構(gòu)的較大ATP酶。在折疊過程中,Smc蛋白單條多肽鏈的N’端和C’端彼此靠近,在中心“鉸鏈”折疊區(qū)域上方形成球形ATP酶“頭”區(qū)域,這種折疊形成40nm寬度非平行的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)。Smc1和Smc3在“鉸鏈”區(qū)域與彼此緊密相連,兩個(gè)ATP酶“頭”區(qū)域由Rad21亞基相連。Rad21是“klesin”成員蛋白,它是Smc1a和Smc3亞基ATP酶頭部區(qū)域的橋梁。Rad21 N’端綁定在Smc3的ATP酶區(qū)域以及C’端綁定在Smc1的ATP酶區(qū)域。因此,Smc1a和Smc3蛋白通過ATP酶的“頭”部與Rad21亞基相連,從而完成三重指環(huán)狀結(jié)構(gòu)[3,11]。
在減數(shù)分裂中,這4種亞基可形成4種不同減數(shù)分裂特異形粘連蛋白復(fù)合體,是聯(lián)會(huì)復(fù)合體的側(cè)向組分,分別為包含Smc1a復(fù)合體(Smc1a,Smc3,STAG3與Rad21L或Rec8)和包含Smc1β復(fù)合體(Smc1β,Smc3,STAG3與Rad21或Rec8或Rad21L)。其中,Rec8是Rad21的旁系同源蛋白;Smc1β是Smc1a的旁系同源蛋白;STAG3是STAG1/2的旁系同源蛋白;Rad21L是類似于Rad21的蛋白,擁有同Rad21和Rec8相似的序列,在小鼠睪丸中表達(dá)更為豐富,同時(shí)也是粘連蛋白復(fù)合體亞基。在所有減數(shù)分裂特異性粘連蛋白復(fù)合體中都含有STAG3亞基,說明STAG3是唯一所有減數(shù)分裂特異性粘連蛋白復(fù)合體所需的亞基,其作用是維持粘連蛋白復(fù)合體的穩(wěn)定,在粘連蛋白復(fù)合體裝載到染色體軸的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,STAG3的缺乏將導(dǎo)致其余多聚復(fù)合體成分補(bǔ)償性增加[3,12]。
粘連蛋白復(fù)合體參與染色體分離、DNA損傷修復(fù)、促進(jìn)DNA復(fù)制與重組和聯(lián)會(huì)復(fù)合體的形成[8,13,14]。粘連蛋白復(fù)合體通過特有的指環(huán)狀結(jié)構(gòu)將DNA片段粘合。 當(dāng)兩個(gè)DNA片段屬于姐妹染色單體時(shí),粘連蛋白復(fù)合體則作為調(diào)節(jié)蛋白, 對(duì)同源染色體分離和DNA修復(fù)具有關(guān)鍵作用;當(dāng)兩個(gè)DNA片段屬于同一染色單體時(shí),則在粘連蛋白復(fù)合體作用下形成染色體環(huán),作用是控制增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的聯(lián)系,最終調(diào)節(jié)基因表達(dá)[13]。
當(dāng)粘連蛋白復(fù)合體和染色體聯(lián)合時(shí)需要一個(gè)二態(tài)復(fù)合體kollerin的協(xié)助,kollerin由一個(gè)進(jìn)化上保守的較大蛋白Nipbl(Scc2)和進(jìn)化上相對(duì)保守的較小蛋白Mau-2(Scc4)組成。存在于精母細(xì)胞聯(lián)會(huì)復(fù)合體側(cè)向元件上,Nipbl在粗線期的早期能夠廣泛定位,但在粗線期DSB修復(fù)之后從側(cè)向元件上分離[15,16]。
3.濃縮蛋白(Condensins):濃縮蛋白是多亞基蛋白復(fù)合體,大部分真核生物中都有兩種不同的濃縮蛋白,即濃縮蛋白Ⅰ(condensinsⅠ, condⅠ)和濃縮蛋白Ⅱ(condensinsⅡ, condⅡ),這兩種蛋白復(fù)合體具有共同配對(duì)的Smc2和Smc4亞基,同屬于Smc家族蛋白。各自具有三個(gè)獨(dú)立的非Smc蛋白亞基,condI具有GAP-D2,GAP-G和GAP-H亞基;condⅡ具有GAPD3,GAP-G2和GAP-H2亞基。GAP-D2和GAP-D3、GAP-G和GAP-G2是彼此親緣關(guān)系較近的蛋白,具有退化的重復(fù)序列,稱為HEAT重復(fù)(熱重復(fù))。GAP-H和GAP-H2 是Smc相關(guān)蛋白klesin家族成員。在哺乳動(dòng)物中,在G2前期,condⅡ定位在細(xì)胞核,而condⅠ沉寂在細(xì)胞質(zhì)。在第一次減數(shù)分裂前期,condⅡ在核內(nèi)參與染色體早期凝集,在進(jìn)入第一次減數(shù)分裂中期之前,細(xì)胞核膜損壞之后,condⅠ進(jìn)入染色體并與condⅡ共同作用使姐妹染色體完全凝集[17],見圖1。
聯(lián)會(huì)復(fù)合體的裝配開始于第一次減數(shù)分裂前期的細(xì)線期,同源染色體為排列整齊寬度約為400nm,SYCP2和CYCP3以復(fù)合體形式在最開始形成的粘連蛋白復(fù)合體基礎(chǔ)上裝配到染色體軸, 為形成正確的AEs提供潛在的基礎(chǔ)框架。此時(shí)AEs的裝配與SYCP1以及CE-特異蛋白無關(guān)。在偶線期時(shí),聯(lián)會(huì)開始,配對(duì)的同源染色體則由多個(gè)開始點(diǎn)沿縱軸方向以“拉鏈”的方式開始延伸,CR開始裝配,包括形成TFs;SYCP1通過C’端與LEs(此時(shí)的AEs成為L(zhǎng)Es)相連形成蛋白異二聚體,N’端與CE-特異蛋白SYCE1、SYCE2、CYCE3、TEX12相連;SYCE1和SYCE3以連續(xù)方式裝配到聯(lián)會(huì)復(fù)合體 。粗線期時(shí),SYCE2和TEX12以不連續(xù)方式裝配到更高階的聯(lián)會(huì)復(fù)合體,使聯(lián)會(huì)延伸到整個(gè)染色體,最終形成聯(lián)會(huì)復(fù)合體的三階結(jié)構(gòu),從而完成裝配[1,9]。
圖1 SC結(jié)構(gòu)模式圖
完成聯(lián)會(huì)同時(shí)需要區(qū)域蛋白HORMAD1,在第一次減數(shù)分裂前期細(xì)線期到偶線期裝配在未聯(lián)會(huì)的染色體,獨(dú)立于SYCP2和SYCP3;粗線期時(shí),HORMAD1從聯(lián)會(huì)的染色體區(qū)域消失;雙線期時(shí),聯(lián)會(huì)復(fù)合體解體,HORMAD1再次裝配到非聯(lián)會(huì)的染色體,HORMAD區(qū)域蛋白作為“監(jiān)視器”監(jiān)視著聯(lián)會(huì)和同源染色體之間的相互作用[9,18,19]。
同源染色體重組和聯(lián)會(huì)復(fù)合體裝配具有緊密暫時(shí)相關(guān)性,一旦其中一個(gè)過程被擾亂,那么這兩個(gè)過程都將失?。?]。
同源染色體重組,形成重組蛋白復(fù)合體與第一次減數(shù)分裂前期的精母細(xì)胞的AEs具有很大聯(lián)系,在聯(lián)會(huì)開始前大約250~300個(gè)早期節(jié)(ENs)與AEs有關(guān),這個(gè)過程包括重組酶RAD51和DMC1參與以及程序化的DSBs的標(biāo)志位點(diǎn)形成等。在細(xì)線期/偶線期時(shí),ENs轉(zhuǎn)化為約200個(gè)過渡節(jié)(TNs),由RPA、BLM、MSH4、MSH5組成,位于并排的同源染色體AEs之間,調(diào)節(jié)它們起始結(jié)構(gòu)聯(lián)系。在粗線期時(shí)少部份NTs(小鼠約25個(gè))與MLH1結(jié)合,形成晚期重組節(jié)(RNs),MLH1的結(jié)合對(duì)于第一級(jí)別的交叉形成是必不可少的。聯(lián)會(huì)復(fù)合體的CE和未來的交叉位點(diǎn)都與MLH1聚集具有緊密聯(lián)系[1,20]。
在聯(lián)會(huì)復(fù)合體缺乏CR時(shí),同源染色體無法完成重組,對(duì)最后轉(zhuǎn)化成為MLH1依賴的交叉有明顯影響。而且在SYCP1、SYCE1、SYCE2、SYCE3或TEX12缺乏的精母細(xì)胞中也沒有MLH1的聚集。然而對(duì)于CE和重組體系之間的物理聯(lián)系仍然不清楚,通過電鏡下觀察RNs和CE之間的關(guān)系,推測(cè)CE可能作為一個(gè)平臺(tái)來綁定和組織RN成分為以后的交叉的產(chǎn)生所需[1]。目前有實(shí)驗(yàn)證明SPCY1缺乏時(shí),RAD51和DMC1在細(xì)線期正常出現(xiàn),同野生型數(shù)量一致,但是它們消失的速度變慢,甚至在粗線期后期或雙線期早期還有相當(dāng)數(shù)量的聚集。而且,重組相關(guān)的基因,如RPA、MSH4、SMH5 等消失速度均較野生型慢[20]。
聯(lián)會(huì)復(fù)合體錯(cuò)誤的裝配會(huì)導(dǎo)致無法完成聯(lián)會(huì),影響染色體重組,無法形成單倍體的生精細(xì)胞,最終導(dǎo)致小鼠不育。
SYCP1缺乏的小鼠不育,而小鼠本身是健康的,精原細(xì)胞能夠進(jìn)入減數(shù)分裂前期,形成正常的AEs并沿同源染色體成排分布,卻無法聯(lián)會(huì),并且大部分精母細(xì)胞阻滯在粗線期,只有小部分進(jìn)入第一次減數(shù)分裂中期[20]。SYCP3缺乏破壞精子發(fā)生,阻滯在偶線期,通過對(duì)小鼠生精小管觀察,發(fā)現(xiàn)3種不同的小管形態(tài)。第一類中只有2~5層偶線期精母細(xì)胞;第二類中只有較薄的一層精原細(xì)胞和支持細(xì)胞,位置在生精小管的基底部;第三類中除了偶線期精母細(xì)胞,還有一群在野生型生精小管內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞,可能與凋亡有關(guān)[21]。SYCP2缺乏的精母細(xì)胞同樣阻滯在偶線期,生精小管所顯示的表型與SYCP3缺乏所示的表型相似[10]。
SYCE1缺乏的小鼠不育,表現(xiàn)為 SYCE1突變的精母細(xì)胞由于染色體聯(lián)會(huì)失敗而阻滯在粗線期[22]。SYCE2缺乏的小鼠能夠形成DSBs,同源常染色體配對(duì)正常并能夠開始重組,卻無法完成SC,同源性染色體無法配對(duì),最終無法形成XY性染色體,DNA破壞和修復(fù)的標(biāo)記仍保留在染色體軸,交叉受到損害,最終無法形成配子[23]。TEX12缺乏導(dǎo)致精母細(xì)胞完全阻止在精子發(fā)生階段IV,最終小鼠導(dǎo)致不育[24]。SYCE3缺乏的精母細(xì)胞中只有部分對(duì)齊的AEs,卻沒有CE或類CE結(jié)構(gòu),因此聯(lián)會(huì)無法開始,精子發(fā)生阻滯在減數(shù)分裂階段IV。SYCE3 缺乏的小鼠沒有明顯的表型,但是將野生型小鼠和SYCE3缺乏小鼠交配后卻無法生育,證明SYCE3缺乏可導(dǎo)致小鼠不育[2,20]。
Smc1β特異性表達(dá)在睪丸,而Smc3在體細(xì)胞和生精細(xì)胞都能夠表達(dá),但Smc1β能夠與睪丸生精細(xì)胞核內(nèi)的Smc3免疫共沉淀[25]。Smc1β缺乏導(dǎo)致兩性小鼠不孕不育,雄性小鼠減數(shù)分裂阻滯在粗線期,而雌性小鼠減數(shù)分裂能夠進(jìn)程到第二次減數(shù)分裂中期,但伴有高度錯(cuò)誤傾向[26]。
Rad21L缺乏出現(xiàn)染色體軸碎片,非同源染色體聯(lián)會(huì)以及影響DSB修復(fù)[27]。Herra'n等[3]發(fā)現(xiàn)Rad21L缺乏的雄性小鼠在減數(shù)分裂前期,同源染色體聯(lián)會(huì)失敗并 阻滯在偶線期,精子缺乏,最終導(dǎo)致小鼠不育。Llano等[28]發(fā)現(xiàn)Rec8缺乏表現(xiàn)為第一次減數(shù)分裂過程中著絲粒復(fù)合體缺失,導(dǎo)致第一次減數(shù)分裂中期粘連蛋白復(fù)合體總體下降。缺乏STAG3的雄性小鼠不育,表現(xiàn)為減數(shù)分裂異常,包括減數(shù)分裂阻滯在類偶線期,同源染色體之間AE/LEs 縮短以及著絲粒內(nèi)聚體的丟失 。Fukuda等[27]也發(fā)現(xiàn)STAG3缺乏的小鼠精母細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出染色體軸緊壓,聯(lián)會(huì)阻滯,重組受到損害并無法進(jìn)程。STAG3水平的降低對(duì)Rec8蛋白水平有明顯的影響,然而對(duì)Rad21L和Rad21影響并不劇烈,說明STAG3缺乏對(duì)a-kleisins蛋白有不同程度的影響。但是目前仍不清楚STAG3的降低選擇性影響Rec8蛋白的穩(wěn)定性,而對(duì)其他a-kleisin亞基沒有相同程度的影響,可能是由于STAG3與Rec8有較低水平的綁定關(guān)系,表現(xiàn)為STAG3減少時(shí),Rec8蛋白不穩(wěn)定。
目前,聯(lián)會(huì)復(fù)合體的研究是生殖生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,對(duì)人類生殖影響具有重要意義。目前,研究重點(diǎn)在聯(lián)會(huì)復(fù)合體組成蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配以及聯(lián)合應(yīng)用基因敲除小鼠和異源系統(tǒng)研究聯(lián)會(huì)復(fù)合體的功能 。聯(lián)會(huì)復(fù)合體的合成受眾多基因控制,但目前的研究主要集中在結(jié)構(gòu)基因的克隆上,而對(duì)控制這些基因特異表達(dá)的上下游調(diào)控基因的研究還不夠深入。聯(lián)會(huì)復(fù)合體與同源染色體重組具有緊密聯(lián)系,但是聯(lián)會(huì)復(fù)合體組分的突變或錯(cuò)配是如何影響同源染色體重組,以及染色體重組蛋白復(fù)合體與聯(lián)會(huì)復(fù)合體是如何相互作用仍然不清楚,這為將來的研究提供了方向。
致謝:本文受國(guó)家自然科學(xué)基金(31371174);江蘇省自然科學(xué)基金(BK20131230);揚(yáng)州市社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)計(jì)劃(2012127)基金項(xiàng)目資助
聯(lián)會(huì)復(fù)合體;減數(shù)分裂;重組, 遺傳;精子發(fā)生
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(2016-04-25收稿)
10.3969/j.issn.1008-0848.2016.06.016
R321.1