“分手”很难，尤其是性染色体

翻译：胡舒昶 来源：中国数字科技馆

（图片来源：CC0 Public Domain）

随着染色体配对的进行，X和Y染色体结成了看似不可能的一对。X染色体很大，它包含成千上万个对生命至关重要的基因。相比之下，Y染色体仅仅是个小不点，它主要的功能是为启动男性发育和制造精子提供指引。生殖细胞通过减数分裂这种特殊的细胞分裂方式形成精子和卵子。然而，要想在减数分裂过程中正确地相遇并配对，这两条截然不同的染色体就必须一起工作。

几十年来，这种正确配对的发生机制一直很神秘。而现在斯隆-凯特琳研究所（Sloan Kettering Institute, SKI）的科学家们已经弄明白了这个谜题。答案涉及到一些非常巧妙设计的DNA断裂与重连。

断裂是减数分裂的主题。在这个过程中，我们从母亲那里得到的每一条染色体，都与从父亲那里得到的每一条染色体分别配对，并进行片段的交换。在这种交换发生之前，染色体中的DNA必须被故意破坏。交换的区域是“同源的”——它们沿着染色体的相同位置，包含相同的基因（尽管每个基因的特定DNA序列可能略有不同）。

同源重组对男性来说更具挑战性，因为大多数X染色体都没有配对对象。事实上，在已经很小的Y染色体上，只有极小的一部分与X有同源性。这个区域被称为“伪常染色体区”(pseudoautosomal region, PAR)，它对于确保X和Y进入不同的精细胞至关重要。

长期以来，科学家们已经知道：考虑到PAR的大小，它在经历片段断裂和交换的过程中，程度远超人们的预期。研究该现象的SKI分子生物学家Scott Keeney说：“在大多数染色体上，DNA双链断裂通常每1000万个碱基对发生一次。小鼠体内的PAR不到Y染色体大小的十分之一，但它仍能经受高频的双链断裂。”在《自然》（Nature）杂志上的一项新研究中，Keeney博士和同事——包括分子生物学家Laurent Acquaviva和长期合作者Maria Jasin揭示了这种情况是如何发生的。

他们发现，X和Y正确配对的关键是PAR中重复的DNA序列，它吸引了几个与双链断裂相关的蛋白质到这个区域。Acquaviva博士把这些蛋白质簇称为“blobs”（斑点），它们改变了这一区域的染色体结构，使PAR成为作者所谓的“雄性小鼠基因组中双链断裂形成最热的区域”。

在已发表研究的图片中也曾发现类似的斑点。但Acquaviva博士是第一个定义这些斑点中有什么，并将它们与PAR区域高度积聚的DNA双链断裂相互关联的人。Acquaviva博士是Keeney实验室的博士后。他是该项目的主要研究人员，也是论文的共同通信作者。

Acquaviva博士说：“乍一看，如果实验不成功，可能在显微镜下看到的斑点就像一团乱麻。但其实它们在数量、时间和位置上完全可以预测。因此很明显，它们实际上是细胞有意构建的复杂结构。”

事实上，Acquaviva博士说，这些斑点是理解PAR DNA如何以短环的形式，被拴在“线轴”——染色体的结构骨架上的关键。虽然X染色体也有相同的重复DNA序列，但女性减数分裂中的两条X染色体在该区域通常不重组。为什么？SKI的科学家表明，这是因为X染色体其他区域之间的配对往往先发生，并直接对抗PAR处的断裂。

这种招募超过预期DNA断裂蛋白份额的策略可能不限于PAR区域。在五月早些时候发表的一篇论文中，Keeney实验室的研究表明，芽殖酵母中的小染色体采用了类似的策略。

这些在小鼠身上的新发现，是斯隆-凯特琳研究所的Keeney和Jasin实验室长期合作的最新成果。Jasin说：“Scott和我在他1997年加入SKI时就开始合作。这篇论文将是我们合著的第40篇。这是SKI良好合作氛围的成果。”事实上，一篇和该论文一起发表的社论，是由前合作伙伴Francesca Cole写的。他现在是MD安德森癌症中心（MD Anderson Cancer Center）的教职员工。

Jasin和Keeney博士都对同源重组感兴趣，但他们为双方的合作带来了互补的专业知识。Jasin博士是研究哺乳动物双链断裂修复的专家，而Keeney博士是研究酵母减数分裂机制的专家。该团队的第39篇论文发表在了《分子细胞》（Molecular Cell）杂志上。他们在论文中发表了迄今为止最详细的关于双链断裂修复的研究。Jasin博士说：“我希望它能改变教科书版的DNA双链在减数分裂重组过程中的移动方式。但许多令人兴奋的问题仍亟待解决。”换言之，敬请期待这个团队的科学家们更多的“断裂”消息（"breaking" news）。