Nature：重大发现!揭示确保较小染色体在减少分裂中发生重组的机制

2020年5月15日讯/BIOON/---从鳄梨到面包，从人类到斑马，有性繁殖的生物必须产生含有正常体细胞一半染色体的生殖细胞。当这些生殖细胞（如精子和卵子）在受精过程中结合在一起时，染色体数目就会恢复到正常的数量。

产生生殖细胞的生物过程是一种称为减数分裂的细胞分裂。减数分裂的结果是，每个生殖细胞只含有正常体细胞的一半染色体。（在人类中，生殖细胞是23条染色体，而体细胞是46条）。

除了减少染色体的数量，减数分裂也会让我们每个细胞中的母体染色体和父体染色体上的物质发生重组。这些染色体会发生断裂，通过交叉相互交换片段，随后被分配到子细胞中。这就是为什么你和你的兄弟姐妹尽管有相同的父母，但看起来却不同：精子和卵子共同组成了你，但每个人都含有独特的母体染色体和父体染色体组合。

减数分裂是所有生物学中最重要的过程之一，然而关于它的基本原理仍有许多谜团。特别是，小的染色体在与十倍于其大小的染色体竞争时如何在断裂和重组中不丢失一直是一个问题。

美国纪念斯隆凯特琳癌症中心分子生物学家Scott Keeney博士说，“我们早就知道，较小的染色体有较高的DNA双链断裂率，而这些断裂会引发重组。但是，之前仍不清楚较小的染色体在制造这些断裂方面如何超常发挥。”

图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2248-2。 Keeney说，如今，他的实验室里的一个研究团队已经解决了这个谜团。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Multilayered mechanisms ensure that short chromosomes recombine in meiosis”。Keeney博士和Keeney实验室高级研究员Hajime Murakami博士是这篇论文的通讯作者。

不要忘了我

对于染色体来说，重组不仅是产生多样性的有效手段。它对于染色体正常分离到生殖细胞中也是至关重要的。如果这种重组不发生，那么染色体的分离就会随机发生，这就会导致染色体在子细胞中的分布不均等。卵子或精子中的染色体数目错误称为非整倍体，是造成出生缺陷的主要原因。

重组的第一步是DNA双螺旋的两条DNA链发生断裂，即双链断裂（DSB）。特殊的蛋白（包括20多年前Keeney博士发现的一种称为Spo11的蛋白）会在染色体中产生DSB。然后，在每一对染色体中，母体染色体和父体染色体找到彼此，然后将未断裂的染色体作为模板，对断裂的染色体进行修复。

经过这个断裂和修复的过程后，母体染色体和父体染色体基本上是连接在一起的，这样一来，如果你拉上其中的一条染色体，就会把另一条染色体也一起带上，这样，这种暂时性的连接在一起是细胞知道每个染色体对中的母体染色体和父体染色体准备分离到不同的子细胞中的一个重要环节。因此，每个染色体对至少需要DSB来确保每条染色体得到正确地分离。

Murakami博士说，“如果DSB的形成是一个随机的过程，在所有的染色体上盲目地发生，那么你可以预计非常小的染色体有时会被跳过。但这种情况通常不会发生。”

他说，事实上，如果是这样，那么在给定长度的DNA中，较小的染色体在断裂率和重组率上比更长的染色体要高。

Keeney博士、Murakami博士和他们的同事如今展示了这种情况是如何发生的：通过招募更多的破坏染色体的蛋白来启动重组，并在更长时间内保持它们，较小的染色体确保了它们不会被遗忘。

给较小的染色体注入活力

这些研究人员通过在酿酒---一种简单的真核生物，具有16条染色体，包括3条较小染色体---中进行的一系列优雅的实验得出了他们的结论。在一项实验中，他们问道：如果你把一条较小的染色体附着在附近的一条较长的染色体上，让它变长，那么会发生什么？在招募断裂因子方面，它还会像较小的染色体一样吗？答案是肯定的。

他们还会问，如果你把长的染色体切成两半，使得较长的染色体变短，那么它会不会像短的染色体一样？答案是不会。这些结果表明，较小染色体的内在因素决定了它的行为，而不是它的大小本身。

较小染色体所拥有的这种额外的“推动力”有助于解！释它们如何能够超负荷运转，从而确保每一条染色体无论多小，都会发生重组。（100医药网 100yiyao.com）

参考资料：

1.Hajime Murakami et al. . Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2248-2.

2.How small chromosomes compete with big ones for a cell"s attention

https://phys.org/news/2020-05-small-chromosomes-big-cell-attention.html