减数分裂新发现：SCFRMF E3 泛素连接酶调控染色体运动的关键作用

为探究减数分裂时染色体如何摆脱束缚，中国研究人员开展拟南芥减数分裂研究，发现 SCFRMF E3 泛素连接酶可降解核纤层蛋白促进染色体配对，为理解植物减数分裂机制提供新视角。

　　在奇妙的细胞世界里，减数分裂是一场独特而至关重要的 “旅程”，它为有性生殖精心准备基因组，是生物遗传多样性的重要 “推动者”。在这个过程中，染色体如同活跃的 “舞者”，快速移动着，努力寻找自己的 “舞伴”—— 同源染色体，它们配对、重组，之后准确地分离到不同的细胞中，这一系列的活动对于遗传信息的稳定传递和生物多样性的产生至关重要。

然而，在进入减数分裂之前，染色体的活动却十分受限，就像被 “捆绑” 住了手脚。这是因为在体细胞中，染色质与核纤层（NL）紧密相连，这种连接使得染色体难以自由移动。想象一下，染色体就像被固定在一个 “网格” 上，无法随意活动。那么，当细胞进入减数分裂时，染色体是如何挣脱这一束缚，变得活跃起来的呢？这个问题一直困扰着科学家们，就像一团迷雾笼罩在减数分裂的研究领域。

为了揭开这层神秘的面纱，中国的研究人员以拟南芥为研究对象，开展了一系列深入的研究。他们的研究成果发表在《Science Advances》杂志上，为我们揭示了减数分裂过程中染色体运动调控的关键机制，为理解植物减数分裂提供了全新的视角。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。他们借助荧光原位杂交（FISH）技术，对染色体上的特定区域进行 “标记”，从而清晰地观察到染色体在减数分裂不同阶段的位置变化；利用免疫染色技术，检测特定蛋白质的表达和定位情况，深入探究蛋白质与染色体之间的关系。

研究结果如下：

1. 早期减数分裂中染色体的显著空间重组：在拟南芥体细胞的间期，染色体呈现出特定的组织模式，着丝粒和着丝粒周围的染色质与核膜（NE）相连，端粒则附着在核仁上。研究人员通过 FISH 技术证实，在减数分裂间期的雄性生殖细胞中，这种模式依然存在。随着减数分裂从间期进入早期细线期，核仁开始向一侧移动，而着丝粒和端粒仍分别与核膜和核仁相连。到了细线期，着丝粒和染色质逐渐从核膜上脱离，端粒也从核仁解离并向核膜移动。在偶线期，端粒在核膜处形成类似花束的聚集，标志着同源染色体配对的开始。到了粗线期，联会完成，着丝粒仍然聚集，而端粒则重新分布在核膜周围。通过活细胞成像技术，研究人员进一步证实了早期前期染色质从核膜上的释放，并且发现这种释放与减数分裂重组无关。
2. 染色质从核膜解离与核纤层蛋白消失同步：核纤层在体细胞的核组织中起着重要的支架作用，与许多染色质区域紧密接触。研究人员构建了拟南芥中四种关键核纤层成分（CRWN1、CRWN2、CRWN3 和 CRWN4）的基因组报告株系，发现除了 CRWN4 未检测到明显的绿色荧光蛋白（GFP）信号外，其他报告株系在根细胞核中的定位模式与之前报道一致。在雄性减数分裂过程中，当染色体着丝粒与核膜紧密相连时，CRWN1、CRWN2 和 CRWN3 在减数分裂细胞核中高度丰富。然而，当染色体着丝粒在细线期末期从核膜上解离并聚集时，所有的 CRWN 蛋白都从减数分裂细胞核中消失了。在减数分裂的后续阶段，CRWN1 直到四分体阶段才重新出现，而 CRWN2 和 CRWN3 则从粗线期末期开始重新积累。
3. RMF1/2 缺失时核纤层降解缺陷：研究人员推测存在一种减数分裂特异性的蛋白质降解系统，负责靶向核纤层成分进行降解。他们关注了三种对减数分裂至关重要的 E3 泛素连接酶，包括 ASK1 和 RMF1/2（SCF^RMF E3 连接酶的 Skp1 和 F-box 亚基）、APC8（APC/C 复合物的一个亚基）和 HEI10（一种促进 I 类 CO 形成的环型 E3 连接酶）。研究发现，只有 ASK1 和 RMF1/2 的突变会导致早期减数分裂缺陷，如染色体配对和重组失败。在 rmf1 rmf2 双突变体中，CRWN1、CRWN2 和 CRWN3 在减数分裂前期 I 持续表达，而在 ask1 突变体中，CRWN2 在核膜上的存在时间也延长了。
4. 核纤层的持续存在阻碍染色质释放和染色体运动：为了研究核纤层持续存在对减数分裂的影响，研究人员将 GFP:CENH3 和 ASY3:RFP 报告构建体导入 rmf1 rmf2 和 ask1 突变体中。在减数分裂间期，突变体中的 CENH3 焦点定位与野生型相似。但在中期细线期，rmf1 rmf2 突变体中的染色质和着丝粒未能从核膜上释放并聚集，许多染色质区域仍与核膜相连，直到减数分裂前期 I 结束，核膜破裂时才分离。这种染色质释放缺陷导致核仁无法迁移到核的一侧，染色体运动也受到严重限制，最终导致染色体配对和重组失败。在 ask1 突变体中，虽然核组织缺陷相对较轻，但也存在类似的问题。而同时缺失 CRWN1 和 CRWN2 可以部分恢复 rmf1 rmf2 突变体中染色质的释放和核仁的迁移，但无法完全恢复其育性。
5. RMF1/2 足以降解核纤层：研究人员构建了 RMF1:GFP 和 RMF2:GFP 报告株系，发现 RMF1 和 RMF2 在体细胞和减数分裂间期均未检测到表达，但在中期细线期开始在减数分裂细胞核中特异性表达，并在偶线期达到峰值。随后，RMF1 和 RMF2 的表达逐渐减弱，在双线期 / 终变期完全消失，此时核纤层蛋白（CRWN2 和 CRWN3）重新出现在减数分裂核膜上。通过在野生型植物的根细胞中异位表达 RMF1，研究人员发现 CRWN2 和 CRWN3 的蛋白质水平显著降低，根细胞的核形态也发生了改变，变得近球形，与 crwn1 或 crwn1 crwn2 双突变体的核形态相似。此外，用蛋白酶体抑制剂 MG132 处理根细胞后，CRWN2 和 CRWN3 得以稳定，表明 SCF^RMF E3 连接酶通过泛素 - 蛋白酶体途径触发核纤层蛋白的降解。

研究结论和讨论部分指出，减数分裂特异性的 SCF^RMF E3 连接酶在拟南芥减数分裂进入时，破坏染色质与核纤层的相互作用，从而释放染色质的流动性，使染色体能够进行配对、重组和分离等高度动态的行为。RMF1/2 在减数分裂早期细胞核中的特异性表达，与 Skp1 同源物 ASK1（可能还有其他 ASKs）相互作用形成 E3 泛素连接酶复合物 SCF^RMF，实现对核纤层蛋白的及时降解。研究还发现，CRWN 蛋白是 SCF^RMF复合物的主要底物，但其突变体的表型无法完全恢复，可能是由于其他核纤层蛋白的持续存在或 SCF^RMF复合物还靶向其他蛋白质进行降解。此外，不同生物在减数分裂过程中解放染色体的机制各不相同，在哺乳动物、秀丽隐杆线虫和鸡的卵母细胞中都有独特的方式。而本研究中提出的由减数分裂特异性泛素连接酶系统介导核纤层降解的机制，可能是一种广泛存在的解决方案。这一研究成果为深入理解植物减数分裂的分子机制提供了重要依据，也为后续研究不同生物减数分裂过程中染色体运动的调控机制提供了新的思路和方向。