利用种间基因替换揭示果蝇联会复合体蛋白Corolla调控减数分裂交叉形成的新机制

《Chromosoma》：The synaptonemal complex component corolla regulates meiotic crossover formation in Drosophila melanogaster

本研究针对联会复合体(SC)在减数分裂交叉形成中的直接调控机制这一难题，通过CRISPR/Cas9技术将黑腹果蝇的SC蛋白Corolla替换为其近缘种毛里求斯果蝇的同源蛋白，成功构建了温度敏感型 hypomorphic 等位基因 corollamau。研究发现该替换导致SC维持缺陷和异常多聚体形成，并显著影响交叉重组频率和染色体分离准确性，首次证实Corolla（可能为SIX6OS1直系同源物）不仅作为SC结构组分，更直接参与交叉形成的调控，为理解SC快速进化下的功能保守性提供了新视角。

　　

在生命繁衍的舞台上，减数分裂是一场精心编排的细胞舞蹈，确保遗传信息准确传递给下一代。这场舞蹈的核心环节是同源染色体间形成交叉(CO)，这些交叉像分子握手一样将染色体连接起来，保证它们正确分离。然而，当交叉形成出现差错时，染色体错误分离会导致非整倍体——这是人类流产和先天性综合征（如唐氏综合征）的主要原因。

在这场精密舞蹈中，联会复合体(SC)扮演着舞台导演的角色。这个保守的多蛋白结构在减数分裂早期架设于同源染色体之间，虽然已知为交叉形成所必需，但其具体调控机制仍笼罩在神秘面纱中。尤其令人困惑的是，SC蛋白序列在不同物种间快速进化，而其整体结构却保持稳定，这使得通过传统突变方法研究其功能变得异常困难。大多数SC无效突变体完全无法组装SC，导致交叉形成几乎彻底失败，这阻碍了我们深入探索SC如何精细调控交叉的形成和分布。

近日发表在《Chromosoma》上的研究为我们打开了新的突破口。研究团队将目光投向黑腹果蝇的SC中央区蛋白Corolla，发现它很可能是线虫SYP-4和脊椎动物SIX6OS1的直系同源蛋白。这一发现激发了研究人员的灵感：能否利用SC蛋白快速进化的特性，通过种间基因替换来创制 hypomorphic（部分功能丧失）等位基因？

为了验证这一设想，研究人员采用CRISPR/Cas9基因组编辑技术，将黑腹果蝇的corolla基因替换为其近缘种毛里求斯果蝇的同源基因，创制了corolla^mau等位基因。两种果蝇的Corolla蛋白虽然具有86.7%的序列同一性，但存在74个氨基酸差异，研究预测这种替换可能允许SC组装但影响其功能。

研究中运用的关键技术方法包括：通过CRISPR/Cas9介导的基因替换构建corolla^mau突变体；利用免疫荧光染色结合结构化照明显微镜(SIM)和受激发射损耗(STED)显微镜观察SC动态组装过程；采用染色体错误分离实验和重组分析评估减数分裂准确性；通过定量PCR检测基因表达水平变化。

SC组装与维持分析

研究发现corolla^mau纯合雌蝇在25°C下能组装SC，但维持存在严重缺陷。STED显微镜揭示早在早期粗线期，64%的SC已出现轻度碎片化，21%呈现高度碎片化。到早中期粗线期，SC碎片化现象更加普遍，且提前开始解聚。然而，当培养温度降至18°C时，SC维持缺陷得到明显挽救，SC能正常维持到中期粗线期。这一温度敏感性表明D. mauritiana的Corolla与D. melanogaster的C(3)G和Cona之间的相互作用在低温下更为稳定。

独特多聚体结构的发现

研究观察到corolla^mau突变体中存在异常的多聚体(PC)结构，这些结构呈环状空心形态。令人惊讶的是，61%的PC含有Corolla和Cona却缺乏横向丝蛋白C(3)G，这在果蝇研究中尚属首次发现。即使在18°C下SC维持得到改善，PC形成依然存在，且不含C(3)G的PC比例更高(16/19)。这表明Corolla来自D. mauritiana与Cona来自D. melanogaster的相互作用具有形成PC的倾向性，而SC的稳定维持可能减少了C(3)G参与PC形成的机会。

染色体分离与重组缺陷

在25°C下，corolla^mau雌蝇的X染色体错误分离率显著升高至10.8%，虽然远低于corolla无效突变体的44.5%，但明显高于野生型。有趣的是，第四条染色体的错误分离在突变体和野生型间无显著差异，这与通常观察到的分布系统超载模式不符。X染色体重组严重受损，总图距长度仅为野生型的15%，特别是sc-cv区间重组率降至野生型的10%。在18°C下，X染色体重组有所改善(达到野生型的61%)，但依然显著低于野生型水平。

第二染色体重组异常

第二染色体的重组缺陷呈现不同模式：dpp-dpy和dpy-b区间重组率显著降低，而pr-cn区间（跨越着丝粒）重组率反而升高。总图距长度在25°C和18°C下分别为野生型的64%和77%，表明温度降低对第二染色体重组的改善效果不如X染色体明显。交换等级频率分析显示，无交叉(E0)四价体频率显著升高，单交叉(E1)频率相应降低。

DSB形成与修复正常

通过计数yH2Av焦点评估DNA双链断裂(DSB)形成与修复，发现corolla^mau与野生型间无显著差异。虽然18°C下两种基因型均显示DSB数量增加，但这可能反映了低温下DSB修复的延迟。此外，Orb定位分析表明，中期粗线期仅有一个卵母细胞细胞质存在Orb定位，说明pachytene检查点未被激活，进一步证实DSB形成与修复并非表型主要原因。

研究结论与讨论部分强调，通过种间基因替换成功创制了corolla的第一个 hypomorphic 等位基因。温度敏感的SC表型表明D. mauritiana的Corolla与D. melanogaster的SC蛋白间的相互作用存在温度依赖性不稳定性。异常PC结构的发现为SC组装机制提供了新线索，特别是Corolla与Cona可在无C(3)G情况下形成PC。重组缺陷与染色体错误分离的不同程度表明，Corolla不仅作为SC结构组分，更直接参与交叉形成的调控，可能通过影响促交叉因子的"粗化"过程来调节交叉分布。

这项研究的意义在于突破了传统null等位基因的局限性，为在SC组装基本正常的前提下研究其重组调控功能提供了新工具。种间基因替换策略为研究其他快速进化蛋白的功能提供了可行思路。研究结果支持SC作为生物分子凝聚体的特性，其热力学稳定性在减数分裂调控中发挥关键作用。未来通过精细分析Corolla蛋白特定结构域的功能，将有望进一步揭示SC架构与交叉形成调控之间的精确分子联系。