除了生殖细胞外，我们身体的每个细胞都有两条染色体。精子和卵细胞相互作用每个染色体都有一个副本，其中包含来自父母的独特基因组合，这是一种进化没有办法给我们的后代遗传变异。精子和卵子是在减数分裂过程中产生的，这是一个由两条染色体复制的细胞将染色体数量减少到一条的过程。为了使减数分裂发挥作用，两条染色体必须完美排列并交换正确数量的遗传信息。任何偏差都会使生育处于危险之中。
进入突触复合体(SC)，这是一种拉链状的蛋白质结构，将亲本染色体端到端排列并固定在一起，以促进成功的遗传交换。无法调节这种交换是人类与年龄相关的不孕症的主要原因，并可能损害整个生命树的生育能力。人类、真菌、植物、蠕虫和任何有性繁殖的生物都使用SC来制造生殖细胞，即配子。尽管它很重要，但我们不了解SC内的蛋白质如何调节染色体相互作用，因为这个多步骤过程发生在内部器官中，并且不可能在实验室中重现。
在一项新的研究中，犹他大学的生物学家开发了一种方法来阐明线虫中SC的复杂相互作用。作者确定了三个指导染色体相互作用的蛋白质片段，并确定了它们相互作用的位置。他们的新方法使用了一种被称为基因抑制筛选的技术，这种技术可以作为研究抵抗传统结构分析的大型细胞组合的蓝图。
这项研究发表在2023年12月6日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
让我们深入研究减数分裂。染色体是由DNA组成的线状结构，当细胞分裂并代代相传时，染色体携带着遗传信息。正常细胞有一定数量的染色体;人类有46个，秀丽隐杆线虫有12个。染色体成对出现，称为同源染色体，它们携带着我们从父母那里继承的基因，一条来自母亲，一条来自父亲。当减数分裂开始时，同源染色体将自己排列成细长的结构，沿着称为轴的骨干组织。同源对的轴纵向排列，同时在平行轴之间形成突触复合体(synaptonemal complex)。同源对的配对基因以相同的顺序排列，基因内部有微小的变化，这些变化使每个个体都是独一无二的。
“你可以把它想象成拉链，”罗格解释说。“染色体的轴线就像你衬衫的两面。突触复合体有点像拉链的牙齿，可以锁在一起，正确地拉住衬衫的两边。”
科学家们以前就知道秀丽隐杆线虫的SC是在同源物之间形成的，但U生物学家是第一个确定SC与自身相互作用以促进遗传交换的确切位置的人。
“当你在染色体之间交换信息时，你想要确保最后你仍然有两条完整的染色体，”罗格说。“细胞这样做的方式是两条染色体完全对齐。所以，当你在它们之间交换片段时，你不会在这个过程中丢失任何信息。
研究人员培育了5万只在SC中存在温度敏感缺陷的线虫。在高温下，这些线虫无法形成将染色体连接在一起所需的SC蛋白拉链。没有拉链，减数分裂期间的基因交换要么根本没有发生，要么没有发生正确的数量。Lisa Kursel是博士后研究员，也是这项研究的主要作者。
库塞尔说:“我们在适宜的较低温度下培养这些蠕虫，然后将它们暴露在一种化学物质中，这种化学物质会导致它们的染色体发生数百万次突变，然后观察是否有突变的蠕虫能在较温暖的温度下繁殖。”纠正线虫不育的化学诱导突变被称为抑制突变。“然后我们就知道抑制基因突变是否恢复了它们的生育能力。”
为了识别那些具有突变的动物，使它们再次具有生育能力，研究人员把线虫放在充满美味细菌的琼脂板上。有可繁殖线虫的琼脂盘很快就空了，因为它们的后代吃了食物。装有无菌蠕虫的琼脂培养皿在它们清理培养皿之前就死亡了，这让细菌得以繁殖。
一旦他们有了可繁殖的线虫，他们就可以测试这种突变是否“固定”了蛋白质拉链。然后，他们筛选了DNA上的每一个碱基对——1亿个碱基对——并确定了哪些突变恢复了蠕虫的繁殖能力。他们发现所有有用的突变都发生在三种蛋白质的短片段上，SYP-1, SYP-3, SYP-4。此外，这些突变带有明显的相互作用特征。例如，当原始突变将电荷从正电荷变为负电荷时，有益的突变将电荷翻转回来。
罗格说:“这是一个强有力的迹象，表明SYP-1、SYP-3和SYP-4像磁铁一样相互作用，正负区域相互吸引。”这种“粘性”的相互作用也有助于将染色体拴在一起。
Jesus Aguayo Martinez是一名生物学专业的大四学生，也是这项研究的合著者，他观察了线虫中没有原始sc破坏突变的抑制突变的行为。
“我们认为，既然原始突变单独产生了生育缺陷，那么单独具有抑制突变的线虫也会有生育缺陷。但事实并非如此，”阿瓜约·马丁内斯说。“令人惊讶的是，正常蠕虫和只有抑制基因突变的蠕虫产生了相似数量的后代。”
揭示SC在减数分裂中的作用可能有助于更好地了解人类的生育能力。SC在所有真核生物中都有类似的作用，从线虫到真菌到植物再到人类。英国罗格实验室之前的研究表明，这种结构本身看起来是一样的，并且在引入亲本染色体以促进交换方面也有类似的作用。然而，蛋白质成分的实际序列在生物体之间是不同的。这样的模式是不寻常的:大多数细胞结构都具有基本的功能，如细胞分裂、基因组复制或新陈代谢，这些结构都是高度保守的，实际上可以在不同的生物体之间交换。
“我们经常思考的一个问题是，最高法院有什么特别之处?为什么它可以做同样的事情，看起来一样，但由不同的构建模块组成?”罗格问道。
库塞尔、阿瓜约·马丁内斯、罗格和实验室的其他成员正在对跨物种的SC进化，以及其他违背进化常识的细胞结构进行更多的分析。
这项工作由国家普通医学科学研究所资助R35GM128804。库塞尔获得了美国国家儿童健康与人类发展研究所的发育生物学培训补助金，阿瓜约·马丁内斯获得了犹他大学生物学研究学者奖。
