生命之光

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相差懸殊的X和Y染色體是如何在一起的?
發布時間:2020-07-22     作者:   來源:科界   分享到:

在染色體配對的過程中,X和Y染色體是最不可思議的一對。X染色體很大,包含數千個對生命至關重要的基因,相比之下,Y染色體不過是一個小不點,主要負責指導雄性的發育和精子的產生。那它們是如何在減數分裂期間相遇并正確配對的呢?幾十年來,這一直是一個未解之謎。

近日,來自美國斯隆-凱特琳研究所(SKI)的科學家們在《自然》雜志上發表論文稱,細胞中有意的DNA斷裂和重組參與了X和Y染色體的協同互作。

在減數分裂的過程中,來自父母雙方的染色體兩兩一對排列在一起,并發生交叉互換。在交換發生之前,染色體中的DNA必須被打斷。交換的區域具有“同源性”,位于染色體的同一位置,包含相同的基因(盡管每個基因的特定DNA序列可能略有不同)。

同源重組對于雄性來說更具有挑戰性,因為X染色體的大部分區段都沒有配對基因。在小不點Y染色體中,只有非常小的一部分與X染色體有同源性,這個區域被稱為“假常染色體區段”(PAR),它對于確保X和Y染色體進入不同的精子細胞至關重要。

考慮到PAR的大小,科學家們認為它發生斷裂和交換的頻率遠遠超過我們的想象。“在大多數染色體上,DNA雙鏈斷裂通常每1000萬對堿基發生一次,”SKI的分子生物學家Scott Keeney說,“小鼠的PAR大小不到這個數值的十分之一,但它仍然能夠頻繁地發生斷裂。”

在這項研究中,科學家們發現,X和Y染色體正確配對的關鍵是PAR中的重復序列,它會招募DNA雙鏈斷裂的相關蛋白。這些被研究人員稱為“斑點”的蛋白質簇改變了PAR的染色體結構,使其變成了“雄性小鼠基因組中雙鏈斷裂的熱門區域”。

雖然之前的研究也發現了類似的斑點,但這項研究第一次定義了這些斑點的成分,并將它們與PAR處高頻率的DNA雙鏈斷裂聯系了起來。

“乍一看,這些斑點就像是一團亂麻。但事實證明,它們在數量、時間和位置上是完全可以預測的,所以很明顯,實際上它們是細胞刻意建造的非常復雜的結構。”該項目的首席研究員、論文的通訊作者、Keeney實驗室的博士后Laurent Acquaviva說,“事實上,這些斑點是理解PAR處DNA如何以短環的形式被系在染色體結構支柱上的關鍵。”

雖然X染色體上也有相同的重復序列,但在雌性的減數分裂中,兩條X染色體通常不會在這個區域重新結合。作者指出,這是因為X染色體其他區段之間的配對往往優先發生,并直接阻止了PAR處DNA的雙鏈斷裂。

這種獲取超出預期的雙鏈斷裂相關蛋白的策略可能并不局限于PAR。在本月早些時候發表的一篇論文中,Keeney實驗室的研究表明,出芽酵母中的小染色體也采用了類似的策略。

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