玉米减数分裂早前期着丝粒配对的分子机理

Meiosis is a process by which diploid cells undergo a single round of DNA replication and two rounds of chromosome segregation to yield haploid gametes. To accomplish reductional segregation, homologous chromosomes must recognize each other and identify its partner, and then align along their lengths. Homologous chromosome pairing in meiosis is critical for their segregation to daughter cells. In contrast to the well-studied processes such as recombination and synapsis, many aspects of chromosome pairing are still obscure. It has been recently reported in several species that centromeres form pairwise associations, known as coupling, before the onset of pairing. These observations indicated that centromere association may play an important role in initial homologous chromosome pairing. In this research, we will use ChIP-MS analysis of histone H3 variant CENH3-associated factors immunoprecipitated from early meiotic prophase anthers, to identify candidate proteins which can regulate centromere pairing process in maize. These data will shed light on the poorly understood mechanisms of homologous chromosome pairing.

减数分裂是真核生物生殖细胞形成过程中一种特殊的细胞分裂方式，是生殖细胞产生的前提。同源染色体之间正确的识别、配对是减数分裂过程中染色体相互作用的开始，对于后续染色体的正确分离至关重要。目前，同源染色体相互精确识别并完成配对的过程和分子机理尚不十分清楚。最近的研究以及我们在玉米中的研究结果显示，在很多物种中，减数分裂早前期都发现有着丝粒配对和聚集的现象，表明着丝粒配对在同源染色体配对过程中具有重要的作用。本项工作以玉米作为实验材料，应用染色质蛋白质组学分析的新技术，深入研究减数分裂早前期着丝粒配对的分子基础，阐明关键因子的作用机理，为全面解析减数分裂过程中同源染色体配对识别的调控机制提供新的技术与理论。

减数分裂是真核生物中高度保守的过程，在有性生殖中对维持物种稳定起着最为重要的作用。同源染色体之间正确的识别、配对是减数分裂过程中染色体相互作用的开始，对于后续染色体的正确分离至关重要。近年的研究以及我们在玉米中的研究结果显示，在很多物种中，减数分裂早前期都有着丝粒配对的现象，表明着丝粒配对在同源染色体配对过程中具有重要的作用，调控这一过程的分子机理尚不清楚。我们通过染色质免疫共沉淀与质谱分析技术相结合，发现玉米中粘连蛋白亚基SMC3（Structural Maintenance of Chromosome 3）在减数分裂早前期与着丝粒特异组蛋白CENH3相结合。SMC3在有丝分裂过程中从前期到后期都定位在染色质上，并且在着丝粒区有富集。减数分裂细线期到粗线期，着丝粒配对完全，SMC3在着丝粒区大量富集，在染色体臂上呈丝线状信号，表明SMC3可能参与减数分裂着丝粒配对过程。在着丝粒配对异常的减数分裂突变体中，SMC3在减数分裂过程中的定位出现异常。在CRISPR-Cas9介导的smc3转基因植株中，有丝分裂过程表现出姐妹染色单体提早分离和染色体分离异常。在SMC3的RNA干扰转基因植株中，减数分裂早前期SMC3在着丝粒的信号减弱，在染色体臂上的信号消失，着丝粒配对不完全，证明SMC3参与减数分裂过程中着丝粒配对的调控。为解析减数分裂过程中同源染色体配对识别的调控机制提供了新的理论依据。