植物减数分裂中联会复合体的研究进展

范竹萱， 宋 莹， 曹刚强， 位 芳

(郑州大学 生命科学学院， 郑州 450001)

减数分裂是有性生殖中产生单倍体配子所必须经历的一个细胞分裂过程，一直是生物学领域的研究热点。植物是研究减数分裂的良好材料，随着拟南芥、水稻、玉米等模式植物的基因组测序完成以及反向遗传学技术的应用，植物中减数分裂的研究取得了巨大的进步。通过借助分子生物学和细胞学技术，对植物减数分裂过程的研究有了更长足的进展。

同源染色体联会事件是引起物种多样性和物种分化的主要原因之一。联会(Synapsis)是减数分裂前期Ⅰ中同源染色体两两配对的过程，在大多数的真核生物中，同源染色体联会后，之间形成一个在光学显微镜下可观察到的高度保守亚显微蛋白结构——联会复合体(Synaptonemal complex， SC)。1956年Moses和Fawcett在用电镜观察蝲蛄、家鸽以及人的初级精母细胞超薄切片时发现并命名[1]。SC是减数分裂特有的超蛋白结构，为同源染色体的重组提供结构基础，并在交叉的形成和基因交换中有着重要的作用[2-3]。如果联会复合体在形成过程中发生突变或受损，将造成减数分裂异常，交叉频率下降，最终导致植株败育[3-4]。本文主要综述植物减数分裂过程中SC的组成、形成过程以及目前克隆的SC相关基因，并对植物减数分裂研究的未来做出展望。

1 SC的组成

1.1 SC的基本组成

SC是一个在进化上高度保守的典型的三分结构，在动物和植物中其结构也基本相同。电子显微镜下观察SC外观呈梯子状形似铁轨，由中央组分(Central element, CE)、横向细丝(Transverse filament， TF)和两个侧向组分(Lateral elements， LEs)组成 (图1)。联会时，同源染色体沿着染色体全长在两条姐妹染色单体之间形成一个线性蛋白轴即轴向组分(Axial element，AE)。AE装配成熟后在其基础上形成侧向组分LE构成联会的框架，是SC最复杂的部分，能够连接姐妹染色单体，并在染色体凝集、配对中有着重要作用。在大部分真核生物中， LEs都含有HOMRMA结构域[5]。在 AE/LE的周围存在着由染色质纤维组成的平行环状结构称为染色质袢环，其通过减数分裂特异的轴蛋白拴在碱基上[6-7]。LE穿过SC的中心部分，通过横向细丝TF形成的梯状或拉链状结构连接LEs和CEs组成完整的SC[5,8]。在出芽酵母、果蝇、线虫以及拟南芥中都有过TF蛋白的相关报道，而且不同物种TF蛋白在结构上具有相似性：在中心区域有一个螺旋卷曲结构域，两末端为球形结构域[8]。TF蛋白形成的同源二聚体的方向是固定的，头部在两侧LE中间重叠，C末端朝LE方向排列，反向的N末端相互平行并重叠，共同形成SC的中央组分CE。

1.2 SC的其他组成成分

重组节(Recombination nodule，RN)是存在于LE之间的一个电子密度较大的“结节”(图1)，最早在麝香百合的SC超微结构中发现。RN附着于SC的中央组分上，呈圆形或椭圆形，可被磷钨酸染色。重组节上含有同源染色体交换所需要的酶，与同源染色体间的联会和交换有关。在1989年Moens等的相关研究中显示SC的组成成分也包含解旋酶。

2 SC的形成

一般认为在减数分裂前期Ⅰ中，联会复合体从细线期逐渐形成，偶线期开始组装，粗线期趋于成熟并发挥功能，双线期开始解体。Higgins等通过对酵母、拟南芥等研究发现SC的形成依赖重组起始以及早期重组中间产物处理[9]。SC是一个进化保守的减数分裂结构，SC的轴向组分最早散乱地出现在G2期。细线期同源染色体凝集并进行同源搜索，AE沿着染色体臂延长并且连接姐妹染色单体。直至偶线期前期同源序列被识别，同源染色体逐渐毗邻，轴间紧密并列，此时形成连续的横向细丝TF蛋白并连接AEs，同源染色体联会发生。TF蛋白相互作用构成SC的中央组分，同时AE一旦连接将形成成熟SC的侧向组分LEs[10]。TF蛋白位于LE之间的区域，相互平行并且重叠形成CE。同源染色体在粗线期完成联会并以完整的SC相连。双线期起始解联会，同源染色体已完成重组过程并通过交叉(Chiasma)相连[11]。

图1 SC结构模式图

3 联会复合体组分相关基因及功能

随着植物基因组测序的完成和大量突变体库的建立，研究者可以通过生物信息学的方法进行基因克隆，在不同的物种中确定目标基因的功能。在减数分裂进程中，同源染色体配对和联会事件是保证染色体正常分离所必需的，同时也是实现基因交换的重要前提。虽然配对和联会是两个不同的生物学事件，但配对影响着联会，两者关系紧密，目前也没有报道过某一基因能完全独立控制某一过程。当前研究的联会相关基因基本是从配对时期开始起作用进而影响联会，对联会本身的研究仅仅停留在联会复合体各个组分的组成基因上，并且对中央组分相关基因的研究较少。表1列举了模式生物中已经克隆的SC组分及相关基因、所属模式植物及主要突变表型。

表1 目前研究的植物减数分裂联会复合体相关基因

3.1 ZYP1

ZYP1是高等植物中分离出来的第一个联会复合体横向细丝蛋白[11]，与酵母ZIP1同源。植物中ZYP1的功能主要表现在对 SC的影响上，ZYP1缺失联会复合体不能形成，导致减数分裂前期Ⅰ的进程推迟，但是对重组交叉不会产生深远影响。目前在植物中已克隆的与酵母ZIP1同源基因有拟南芥ZYP1a/ZYP1b，水稻ZEP1，玉米ZYP1和大麦ZYP1，虽然它们在氨基酸水平上同源性不高，但在结构上非常相似：都含有螺旋卷曲结构域。大麦zyp1突变体中，在中期二价体大量减少伴随着单价体增多，导致染色体不分离和不育[12]。水稻zep1的突变体中 SC不能正常装配，但同源染色体之间仍可形成重组交叉并均等分离，随着减数分裂进程，在早期小孢子中仍可观察到 ZEP1的装载，表明 ZEP1在此过程中还有其他生物学功能[13]。

3.2 ASY1

植物中ASY1与酵母HOP1同源，是SC的侧向组分，对染色体组装和联会有着重要作用。ASY1蛋白位于前期Ⅰ的染色体轴上，能使非姐妹染色单体相互毗邻并消除姐妹染色单体间杂乱的相互作用，以保证联会的正常进行[14]。拟南芥AtASY1、甘蓝BoASY1和水稻OsPAIR2等基因目前已用突变体分析的方法被分离出来，突变体因同源染色体联会的减少均表现为育性下降[15]。与拟南芥ASY1同源的PAIR2是水稻中编码 HORMA结构域的 AE组分基因，与asy1突变体相似，其 DSB水平正常，但是同源重组缺失，联会中断并导致交叉数目明显减少[16]。ASY3和PAIR3也分别是拟南芥和水稻中的 SC的 AE组分，也分别是AtASY1和OsPAIR2正常定位所必需的，其突变体均表现出同源重组较少和联会受阻[17]。

3.3 P31comet

P31comet最早发现于HeLa细胞中的与MAD2(Mitotic arrest-deficient 2)相互作用的蛋白，因为其在减数分裂时期形似彗星尾巴的定位模式而命名。在植物中，P31comet首次在水稻中分离出来并认为与减数分裂过程密切相关[3]。在水稻中P31comet是一个联会复合体相关蛋白，定位在联会复合体两对侧向组分之间的中央组分上。在p31comet的突变体中，同源染色体不能联会和配对，终变期不能形成二价体，减Ⅰ后期染色体不能完成均等分离，最终导致植株败育。P31comet在DSB形成中同样发挥着重要的作用。

3.4 CRC1

CRC1是酿酒酵母pachytene checkpoint 2 (Pch2)和小鼠THYROID RECEPTOR-INTERACTING PROTEIN 13 (TRIP13)在水稻中的同源蛋白。水稻crc1突变体的营养生长正常但是花粉粒不能成活并且败育。从偶线期到粗线期染色体不能正常配对，中期Ⅰ染色体散乱地分布在整个核中，后期Ⅰ染色体不能均等的向两极移动。免疫定位实验显示，在粗线期后 CRC1的信号出现在 REC8的两条线性信号之间并且在终变期 CRC1信号消失，说明 CRC1为联会复合体的结构蛋白，定位在 SC的中央组分上。此外， CRC1与 ZEP1共定位并且在减数分裂中对 PAIR2有补足作用[18]，同时CRC1的下调基因RAD51C对 DSB修复中也有重要作用[19]，说明CRC1的功能也涉及同源重组。

3.5 DSY2

玉米中DSY2(DESYNAPTIC2)是SC中AE/LE元件的组分，含有与ASY1同源的HORMA结构域，能介导DSB修复并直接参与SC组装。玉米dsy2突变体表现出同源染色体重组和联会的缺失[20]。 Lee等克隆了玉米中的DSY2并发现DSY2与拟南芥ASY3和水稻PAIR3为直系同源，编码 SC的 AE蛋白并含有一个螺旋卷曲结构域，是维持 DSB正常水平和 SC组装所必需的。并进一步证实 DSY2不仅和 ASY1同时也和中央组分 ZYP1互作[21]。

3.6 MTOP6B

减数分裂是由SPO11催化形成的DSB诱导起始的，SPO11与DNA拓扑异构酶Ⅵ的A亚基直系同源。大部分真核生物至少含有一个与减数分裂同源重组相关的 SPO11蛋白，但是目前并没有相关报道认为 DNA拓扑异构酶 VI的 B亚基与减数分裂相关。Vrielynck等从拟南芥中分离出与TopoⅥB亚基结构同源的MTOPⅥB，mtopⅥB突变体无二价体，联会复合体信号完全消失且重组率下降。mtopⅥB的突变体同spo11-1，spo11-2突变体表现出一样的减数分裂缺陷现象说明MTOPⅥB对减数分裂DSB形成有着重要作用[22]。水稻OsTOP6B缺失导致同源染色体间不能正常配对且无联会形成，终变期形成24个单价体在中期散乱的排列在赤道板上，最终形成形状和大小异常的四分体，导致花粉败育[23]。

4 结语与展望

联会复合体与减数分裂同源染色体间的配对、联会、重组和分离有着密切关系，是减数分裂中重要的蛋白结构，对减数分裂的正常进行发挥至关重要的作用。相比酵母和哺乳动物，植物中SC组分鉴定较少。但随着许多植物基因组测序的完成以及大量突变体库的建立，已经克隆出许多 SC组分基因，如拟南芥中的ASY1、ZYP1，玉米中的AFD1、DSY2等，这些基因的功能均已鉴定。不同物种中构成联会复合体组分的基因编码的蛋白序列上保守程度并不高，但在结构上却高度保守，如 ASY1是最普遍存在的 SC结构蛋白，在不同植物中的同源基因都含有 HORMA功能域;ZYP1在拟南芥中有两个拷贝，但在玉米中只有一个拷贝。在目前研究中ASY1、ZYP1已作为识别SC的标志蛋白，为SC的相关研究提供了极大的便利。除此之外，PAM1、PHS1、SPO11-1、PCH2等位于联会上下游的基因也会对SC的形成造成重大影响。然而，自SC发现至今的60余年内，对其形成和调控的机理仍不清楚，大大影响了人们对减数分裂分子机制研究推进。随着分子生物学和细胞学技术的发展，相信在不久的将来，植物减数分裂联会的研究将会更加清楚透彻，这不仅有利于人们对减数分裂调控机理的更深入研究，同时也将对经济作物、粮食作物的优化育种提供巨大的贡献。