CNS前沿文献追踪 – 用SIM观察减数分裂过程中DNA修复、联会、交叉互换

减数分裂前期染色体会发生一系列变化，此次分享的文章关注减数分裂前期DNA损伤修复、联会复合物形成、同源染色体交叉互换，具体内容如下：

首先简述一下减数分裂前期染色体的动态变化：细线期（Leptotene），DNA发生双链损伤（DSB）；偶线期（Zygotene）重组酶RAD51结合到一条损伤的DNA单链上，进行同源寻找，诱导DNA单链侵入同源双链DNA；粗线期（Pachytene）联会复合物形成，将同源染色体“粘”在一起；双线期（Diplotene）形成交叉互换复合物（CO）。纵观整个减数分裂前期，重要事件有三 - DNA损伤修复、联会复合物形成、交叉互换复合物形成，此次分享的文章用SIM超分辨技术对减数分裂进行观察，研究这三个事件的时空关系 – 上图来源于网络

为了提高信噪比，文章作者用了核spreading的方法制样，细节可找原文研究一下

 先观察各个时期DNA损伤修复相关蛋白量的变化：染色体交叉互换复合物CO（COSA-1是CO的marker）实际上是DNA损伤修复转化而来，因此DNA损伤修复蛋白和CO的形成密切相关，涉及的蛋白主要包括重组酶RAD-51、单链DNA结合蛋白RPA-1、解旋酶BLM、CO促进因子MSH-5。文章作者以线虫生殖细胞为研究对象，根据染色体形状（HTP-3为染色体轴marker）将生殖细胞所处时期归类（上图主要关注偶线期zygotene和粗线期pachytene，DSB-2指示粗线期早期），统计生殖细胞细胞核内各种蛋白点的数量后，以分裂时相和点数分别为xy轴做图。各损伤修复蛋白在粗线期达到峰值，到粗线期末期消失，值得注意的是从CO的角度去看可将DNA损伤修复分为CO相关修复和非CO相关修复，MSH-5因其有促进CO形成作用，到粗细期末期在核内仍可观察到

单纯的看CO形成（COSA-1为CO marker），可发现CO在粗线期末期形成（红框代表粗线期早期，绿框代表末期）

通过对大量不同生殖细胞的观察、归纳总结，文章作者概括出了上图：细线期（leptotene）RAD-51结合到染色体上；偶线期（zygotene）各种DNA损伤修复蛋白都结合到了染色体上，同时因为同源介导修复的作用，出现了同源染色体相互靠近的现象；粗线期（pachytene）各种修复蛋白达到高峰后离去，部分损伤修复转化为CO；双线期/终变期（diplotene/diakinesis）仅剩CO marker COSA-1

看完各个修复蛋白随分裂时相量的变化之后开始看它们的空间分布，首先是偶线期的重组酶RAD-51：在染色体附近，大部分成对或细长的状态

粗线期早期解旋酶BLM也是成对或细长的状态，延着染色体分布

粗线期早期单链DNA结合蛋白RPA-1同样成对或细长状态，延染色体分布，有时以单点存在，且和BLM彼此接近

粗线期早期MSH-5以单点状态分布，定位在BLM成对的两点之间或挨着BLM单点 

相较粗线期早期的单点分布，在粗线期末期MSH-5成对分布，横在两条相互靠近的染色体之间，在粗线期末期DNA修复相关蛋白只剩下BLM和MSH5，两者十字交叉分布，CO复合物位于十字中心附近

到双线期（diplotene）MSH-5和BLM的分布发生变化，有“萎缩”变少的趋势，到终变期（diakinesis）完全消失

看完DNA修复蛋白和CO的空间关系之后，作者开始研究联会复合物和CO的空间关系，笔者在网上搜索了一张联会复合物的电镜图片：联会复合物包括边缘和中间两部分，边缘呈“梯子”状，中间呈一条细线 – 上图来源于网络

SYP-1和SYP-2反映的是联会复合物中心区，可见在粗线期早期COSA-1只是靠近联会复合物，到粗线期末期，联会复合物会鼓起一个空泡，COSA-1定位到空泡中形成CO，一直到双线期CO和联会复合物都保持着这样的空间关系

这张图说明了染色体（HTP-3）、联会复合物（SYP-1）、CO（COSA-1）之间的空间关系：联会复合物（绿色）位于两条染色体（红色）中间，将同源染色体“粘”在一起（和别的研究者的电镜结果一致），CO（蓝色）定位在联会复合物空泡内，被联会复合物包裹

有文献报道联会复合物可促进CO形成，但这方面的机制尚不是很清晰，所以文章作者做了两类突变（突变联会复合物中心区或突变促CO因子），看突变对DNA损伤修复蛋白的影响：发现突变后粗线期早期明显延长，DNA损伤事件变多

COSA-1被突变后（CO受影响）粗线期末期MSH-5不再定位到染色体附近：DSB-1为粗线期早期marker，野生型在失去DSB-1进入粗线期末期后染色体附近尚仍有MSH-5分布，而突变型染色体附件不再有MSH-5

突变syp-1后（联会复合物受到影响），到粗线期末期（红框内为早期，黄框内为早-末转化，绿框内为末期）BLM消失（前面的实验在野生型上观察到的是BLM到粗线期末期仍存在）

 突变影响联会复合物后COSA-1和MSH-5的空间关系受到影响

野生型中到粗线期末期MSH-5和BLM十字交叉分布，定位在同源染色体中间，可突变影响联会复合物后，两者十字交叉分布现象消失，且MSH-5会错误的定位到染色体上

这是一篇Cell，只有两个作者，通篇都是显微镜的图，足以说明超分辨技术的威力。显微镜的文章一个很大的门槛是工具使用，工具掌握了，选好题，直接把别人研究的细胞、分子行为拍遍就能成文̷̷

Woglar A , Villeneuve A M . Dynamic Architecture of DNA Repair Complexes and the Synaptonemal Complex at Sites of Meiotic Recombination[J]. Cell, 2018:S0092867418303982.

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