世界不思議

相差懸殊的X和Y染色體是如何在一起的?


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並正確配對的呢?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》雜誌上發表論文稱,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,並發生交叉互換。在交換髮生之前,染色體中的DNA必須被打斷。交換的區域具有「同源性」,位於染色體的同一位置,包含相同的基因(儘管每個基因的特定DNA序列可能略有不同)。

同源重組對於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),它對於確保X和Y染色體進入不同的精子細胞至關重要。

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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像。「在大多數染色體上,DNA雙鏈斷裂通常每1000萬對鹼基發生一次,」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中的重複序列,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」。

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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,並將它們與PAR處高頻率的DNA雙鏈斷裂聯繫了起來。

「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複雜的結構。」該項目的首席研究員、論文的通訊作者、Keeney實驗室的博士後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複序列,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,並直接阻止了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並不局限於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採用了類似的策略。

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