（圖片來源：CC0 Public Domain）

隨著染色體配對的進(jìn)行，X和Y染色體結(jié)成了看似不可能的一對。X染色體很大，它包含成千上萬個對生命至關(guān)重要的基因。相比之下，Y染色體僅僅是個小不點，它主要的功能是為啟動男性發(fā)育和制造精子提供指引。生殖細(xì)胞通過減數(shù)分裂這種特殊的細(xì)胞分裂方式形成精子和卵子。然而，要想在減數(shù)分裂過程中正確地相遇并配對，這兩條截然不同的染色體就必須一起工作。

幾十年來，這種正確配對的發(fā)生機制一直很神秘。而現(xiàn)在斯隆-凱特琳研究所（Sloan Kettering Institute, SKI）的科學(xué)家們已經(jīng)弄明白了這個謎題。答案涉及到一些非常巧妙設(shè)計的DNA斷裂與重連。

斷裂是減數(shù)分裂的主題。在這個過程中，我們從母親那里得到的每一條染色體，都與從父親那里得到的每一條染色體分別配對，并進(jìn)行片段的交換。在這種交換發(fā)生之前，染色體中的DNA必須被故意破壞。交換的區(qū)域是“同源的”——它們沿著染色體的相同位置，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）。

同源重組對男性來說更具挑戰(zhàn)性，因為大多數(shù)X染色體都沒有配對對象。事實上，在已經(jīng)很小的Y染色體上，只有極小的一部分與X有同源性。這個區(qū)域被稱為“偽常染色體區(qū)”(pseudoautosomal region, PAR)，它對于確保X和Y進(jìn)入不同的精細(xì)胞至關(guān)重要。

長期以來，科學(xué)家們已經(jīng)知道：考慮到PAR的大小，它在經(jīng)歷片段斷裂和交換的過程中，程度遠(yuǎn)超人們的預(yù)期。研究該現(xiàn)象的SKI分子生物學(xué)家Scott Keeney說：“在大多數(shù)染色體上，DNA雙鏈斷裂通常每1000萬個堿基對發(fā)生一次。小鼠體內(nèi)的PAR不到Y(jié)染色體大小的十分之一，但它仍能經(jīng)受高頻的雙鏈斷裂?！痹凇蹲匀弧罚?em>Nature）雜志上的一項新研究中，Keeney博士和同事——包括分子生物學(xué)家Laurent Acquaviva和長期合作者M(jìn)aria Jasin揭示了這種情況是如何發(fā)生的。

他們發(fā)現(xiàn)，X和Y正確配對的關(guān)鍵是PAR中重復(fù)的DNA序列，它吸引了幾個與雙鏈斷裂相關(guān)的蛋白質(zhì)到這個區(qū)域。Acquaviva博士把這些蛋白質(zhì)簇稱為“blobs”（斑點），它們改變了這一區(qū)域的染色體結(jié)構(gòu)，使PAR成為作者所謂的“雄性小鼠基因組中雙鏈斷裂形成最熱的區(qū)域”。

在已發(fā)表研究的圖片中也曾發(fā)現(xiàn)類似的斑點。但Acquaviva博士是第一個定義這些斑點中有什么，并將它們與PAR區(qū)域高度積聚的DNA雙鏈斷裂相互關(guān)聯(lián)的人。Acquaviva博士是Keeney實驗室的博士后。他是該項目的主要研究人員，也是論文的共同通信作者。

Acquaviva博士說：“乍一看，如果實驗不成功，可能在顯微鏡下看到的斑點就像一團亂麻。但其實它們在數(shù)量、時間和位置上完全可以預(yù)測。因此很明顯，它們實際上是細(xì)胞有意構(gòu)建的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。”

事實上，Acquaviva博士說，這些斑點是理解PAR DNA如何以短環(huán)的形式，被拴在“線軸”——染色體的結(jié)構(gòu)骨架上的關(guān)鍵。雖然X染色體也有相同的重復(fù)DNA序列，但女性減數(shù)分裂中的兩條X染色體在該區(qū)域通常不重組。為什么？SKI的科學(xué)家表明，這是因為X染色體其他區(qū)域之間的配對往往先發(fā)生，并直接對抗PAR處的斷裂。

這種招募超過預(yù)期DNA斷裂蛋白份額的策略可能不限于PAR區(qū)域。在五月早些時候發(fā)表的一篇論文中，Keeney實驗室的研究表明，芽殖酵母中的小染色體采用了類似的策略。

這些在小鼠身上的新發(fā)現(xiàn)，是斯隆-凱特琳研究所的Keeney和Jasin實驗室長期合作的最新成果。Jasin說：“Scott和我在他1997年加入SKI時就開始合作。這篇論文將是我們合著的第40篇。這是SKI良好合作氛圍的成果?！笔聦嵣?，一篇和該論文一起發(fā)表的社論，是由前合作伙伴Francesca Cole寫的。他現(xiàn)在是MD安德森癌癥中心（MD Anderson Cancer Center）的教職員工。

Jasin和Keeney博士都對同源重組感興趣，但他們?yōu)殡p方的合作帶來了互補的專業(yè)知識。Jasin博士是研究哺乳動物雙鏈斷裂修復(fù)的專家，而Keeney博士是研究酵母減數(shù)分裂機制的專家。該團隊的第39篇論文發(fā)表在了《分子細(xì)胞》（Molecular Cell）雜志上。他們在論文中發(fā)表了迄今為止最詳細(xì)的關(guān)于雙鏈斷裂修復(fù)的研究。Jasin博士說：“我希望它能改變教科書版的DNA雙鏈在減數(shù)分裂重組過程中的移動方式。但許多令人興奮的問題仍亟待解決?！睋Q言之，敬請期待這個團隊的科學(xué)家們更多的“斷裂”消息（"breaking" news）。

翻譯：胡舒昶

審校：巢栩嘉

引進(jìn)來源：紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心

引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2020-05-hard-sex-chromosomes.html


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