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科学家揭秘秀丽隐杆线虫精母细胞减数分裂的影响因子

2021-12-07 19:35

众所周知,减数分裂是有性生殖生物的生殖细胞在成熟过程中发生的特殊分裂方式。在这一过程中,DNA复制一次,细胞连续分裂两次,结果会使得染色体的数目减半,由一个亲代细胞产生出四个单倍体细胞,每条染色体源自于其亲代细胞,故称为减数分裂,又称成熟分裂(maturation division)。减数分裂的结果是形成单倍体配子,如:精子、孢子或花粉,而在雌性动物体内,减数分裂后有二个或是三个细胞会形成极体,只有一个会持续发育形成卵细胞。它的全过程划分为4个阶段:分裂前的间期Ⅰ(Interphase)、减数分裂Ⅰ、间期Ⅱ和减数分裂Ⅱ(图1)。

图1  减数分裂的全过程


虽然与有丝分裂和减数分裂的细胞生物学有关的研究已经在秀丽隐杆线虫中得到了很好的扩展,但是关于减数分裂期间初级精母细胞的生理分裂我们却知之甚少。今年年初,来自广东省南方科技大学的Xiangchuan Wang等人研究了秀丽隐杆线虫初级精母细胞减数分裂Ⅰ过程中的中枢蛋白及RhoA的皮质募集,为我们揭开了初级精母细胞生理分裂过程的神秘面纱。

首先,为了研究初级精母细胞的分裂过程,作者通过荧光标记的技术手段对L4雌雄同体中初级精母细胞的非肌球蛋白II(NMY-2::GFP)和组蛋白H2B(mCherry::H2B)进行了荧光成像表达,结果显示初级精母细胞通常聚焦于性腺轴的近端(图2A)。同时作者通过同源染色体的动力学,将可明确检测到的减数分裂Ⅰ后期同源染色体分离之前的时刻定义为时间0(图2B),在减数分裂Ⅰ中期开始前的2.5分钟,可以明显观察到染色体汇聚在赤道板上,此时NMY-2及ANI-1都被募集到赤道板附近并累积下来。

图2  NMY-2和ANI-1在同源染色体分离前被募集到赤道皮层并积累


在有丝分裂期间,非肌球蛋白II(NMY-2)、苯胺素(ANI-1)和肌动蛋白丝都参与了收缩环的组成。而作者在研究中发现,在可见的同源染色体分离之前,收缩环在纺锤体的控制下于分界面处组装,中央纺锤体蛋白和RhoA效应因子同样被募集到分裂的初级精母细胞的赤道皮层进行收缩环组装,并在可见的同源染色体分离之前缓慢进入初级精母细胞。在有丝分裂细胞中,RhoA的光遗传激活可以诱导细胞分裂后期之前的收缩环组装,这表明RhoA激活受细胞周期控制,而不是其下游效应因子(图3左图)。值得注意的是,初级精母细胞中,收缩环成分在同源染色体明显分离之前在赤道区积累的这一结论此前未被报道过,为了探究这一事件发生的顺序到底是在中期到后期过渡后的染色体延迟分离后,还是中期到后期过渡前收缩环成分的积累后,研究者们通过跟踪各种细胞周期标记物的行为来检测细胞周期进程,其中包括使用了上源生科构建提供的NPP-2::GFP和mCherry::H2B两株基因编辑线虫,测量了NEBD(核膜破裂)和等位基因的分离之间的时间间隔,并检测了初级精母细胞中同源染色体的形态。

图3  左图为:在PAR-5缺失和PAR-5结合缺陷的ZEN-4突变体中,ZEN-4的核定位和RhoA效应的皮质补充缺失;右图为:原代精母细胞表达NPP-2::GFP及mCherry::H2B


伴随着同源染色体的分离,意味着减数分裂后期I的开始。减数分裂I中从中期到后期的转变过程,分离酶裂解将染色体结合在一起的内聚蛋白,而内聚蛋白的激活是由分离酶上Cdk1位点的安全破坏和去磷酸化结合调控的。在初级精母细胞中,同源染色体的可见分离与分离酶抑制蛋白(IFY-1)降解相关,在这之前,同源染色体上的分离酶(SEP-1)会积累起来。纺锤体中间区(SPD-1:: GFP标记)会聚集装配在明显分离的同源染色体之间(图4)。

图4  早期后期I的中心纺锤体组装


此外,作者还发现促进中枢纺锤体寡聚化的扰动调节了皮层NMY-2的募集,并影响了初级精母细胞沿着性腺近-远轴进入减数分裂I的顺序。与线虫性腺有丝分裂区的生殖细胞不同,L4晚期线虫的初级精母细胞有规律地定向于性腺轴的近端,它们进入分裂过程的顺序是固定的(图5)。第一初级精母细胞在近端从细胞核膜分解开始进入减数分裂I期进程,然后邻近细胞从近端到远端依次进行减数分裂。在PAR-5缺失的动物或具有非磷酸化ZEN-4变体S682A的动物中,初级精母细胞的这种有序分裂被破坏。与ZEN-4的PAR-5结合位点的突变相比,PAR-5的缺失对分裂顺序的影响更严重,这表明突变或缺失所造成的大部分影响是独立于中央纺锤体的。有研究表明,PAR-5在秀丽隐杆线虫种系中的细胞周期调节和 DNA 损伤检查中都起到了非常重要的作用。而ZEN-4上PAR-5结合位点的突变可能通过增加PAR-5的有效区间来间接影响细胞的周期控制。如果基于本次试验所作出的推测是正确的,那么就意味着秀丽隐杆线虫减数分裂进程对其生殖系中的PAR-5水平是高度敏感的。

图5  初级精母细胞有序分裂进入

这些结果扩展了我们对秀丽隐杆线虫减数分裂I期间初级精母细胞分裂为次级精母细胞过程的理解,揭示了一些对减数分裂进程有不同程度影响的基因,对线虫生殖过程的研究具有重要意义。


参考文献:

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