Nature背靠背 | 确保减数分裂正常的新机制

撰文丨易

在减数分裂过程中，同源染色体的准确配对和交换是遗传多样性和基因组稳定性的基础。霍利迪连接体（Holliday junctions,HJs）作为DNA双链断裂修复中的关键中间产物，在交叉互换（crossover）的形成中扮演核心角色。然而，HJs的积累也可能对染色体分离构成风险。尽管已知HJs是交叉互换的物理基础，但其是否具有额外的调控功能（如对染色体结构的维持或信号传导的调节）尚不明确。ZMM蛋白（Zip1-4, Msh4-5, Mer3, Spo16）此前已被证明在早期重组结节的形成和联会复合体（synaptonemal complex,SC）的组装中起作用，但它们在后续阶段（如SC维持和HJ稳定性保护）中的作用机制，以及HJ是否存在反馈调节功能，仍是未解之谜。尤其值得注意的是，SC的组装与解体通常与细胞周期转换紧密耦合，而这一过程如何与HJ的解析时序协调，是实现交叉保证（crossover assurance）和顺利完成减数分裂的关键。

近日，奥地利维也纳生物中心Joao Matos在Nature期刊上发表题为Holliday junction-ZMM protein feedback enables meiotic crossover assurance的研究论文， 以芽殖酵母为模型，揭示了霍利迪连接体（HJs）与ZMM蛋白之间存在的双向反馈机制：HJs通过锚定ZMM蛋白维持联会复合体稳定性，而ZMM蛋白不仅促进联会复合体聚合，还保护HJs免受非交叉途径分解，该机制共同抑制了DNA损伤反应并确保减数分裂的正常进行。

本研究 系统性探讨了Holliday连接体（HJs）与ZMM蛋白在减数分裂前期的功能相互关系。首先，作者构建了一个条件性激活的HJ内切酶系统（Yen1 ON ），可以在联会建立后特异性切割HJs，从而模拟HJ的提前解析。 结果 揭示了一个精细调控的反馈回路：HJs与ZMM蛋白之间的功能性互惠作用不仅是维持染色体联会的核心机制，更是协调减数分裂进程与交叉保证的关键。通过条件性表达Yen1 ON 核酸酶特异性切割HJs后，观察到联会复合体（SC）发生快速且彻底的解聚，表现为Zip1、Ecm11-Gmc2复合物及Smt3（SUMO）从染色体上脱离并形成大型聚合体，但染色体的轴-环结构（以Rec8 cohesin为标志）仍得以保留。这一现象表明HJs的物理存在是维持SC结构稳定性的必要条件，而非单纯依赖DNA断裂或轴蛋白组装。机制探索发现，HJs作为分子 “ 锚点 ” ，持续招募ZMM蛋白（包括Zip3、Msh4-Msh5、Zip4等）至同源染色体界面处的重组结节；反之，ZMM蛋白通过双重功能发挥作用 —— 一方面促进SC中央区域的持续聚合，另一方面通过抑制STR复合物（Sgs1-Top3-Rmi1）的溶解活性，保护HJs免受非交叉途径的加工。这种双向正反馈循环（ZMM稳定HJs → HJs保留ZMM → 维持SC聚合）确保了SC在退出前期I前的结构完整性。

进一步实验证明，破坏这一反馈回路会引发严重的细胞学后果。条件性降解ZMM蛋白（Zip3 AID 、Msh4 AID 或Zip4 AID ）不仅导致SC解聚，还引起DNA连接分子的快速丢失和非交叉产物比例显著上升，证实ZMM在维持HJ稳定性中的持续作用。尤为重要的是，该回路直接调控DNA损伤响应：Yen1 ON 诱导的HJ切割或ZMM降解均导致Hop1蛋白（HORMAD家族）在染色体上重新积累及其Thr318位点磷酸化（由Mec1/ATR和Tel1/ATM介导），同时Southern blotting检测到DSB水平上升3-6倍，说明SC的破坏解除了对DSB形成的抑制状态。在野生型细胞中，提前激活Yen1 ON 表达虽允许细胞进入粗线期，但90%的细胞随后发生联会逆转（从完全联会退化为部分联会），并伴随减数分裂I的严重延迟或失败，孢子形成率急剧下降。活细胞成像动态捕捉到这一过程：Zip1GFP信号从连续的线性结构转变为散在聚集体，且染色体分离出现桥接和异常核型分布。

此外，作者 还通过创新性的可逆SUMO化控制系统（Ulp1 ΔN-FRB ）证明，HJs的存在足以指导SC的重建：在SUMO化被临时抑制导致SC解聚后，一旦恢复SUMO化，SC即可快速（30分钟内）重新组装，但该过程依赖HJs的完整性。最后，在四重核酸酶缺失突变体（ mlh3∆ mms4 mn slx1∆ yen1∆ ）中，即使诱导Cdc5表达（通常驱动SC解聚），SC解体仍显著延迟；若进一步引入sgs1 mn 突变阻断STR途径，HJ完全无法处理，SC解体几乎停滞。这表明Cdc5通过两条并行途径促进SC解体：一是通过激活核酸酶处理HJs，间接破坏SC维持机制；二是直接磷酸化SC组分促其降解。

总而言之 ，HJ-ZMM反馈回路通过维持联会、抑制额外DSB形成、确保交叉定向发生，成为协调减数分裂前期事件与细胞周期转换的核心枢纽。

值得一提的是，加州大学戴维斯分校的Neil Hunter团队在Nature上发表了背靠背文章Protecting double Holliday junctions ensures crossing over during meiosis。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09559-x

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09555-1

制版人： 十一

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