同源染色体的配对和联会对于它们在减数分裂过程中的正确分离至关重要。核骨架和细胞骨架连接蛋白(LINC)复合体能在核膜上招募驱动蛋白，从而影响端粒花束的形成和同源染色体的配对。驱动蛋白-1 样蛋白花粉半稳态 1(PSS1)作为参与同源染色体配对和联会的驱动蛋白，在水稻雄性减数分裂染色体行为中起着关键作用。然而，其在减数分裂中的确切作用尚未完全阐明。
近日，the plant journal在线发表了一篇文章“Kinesin-1-like protein PSS1 is essential for full-length homologous pairing and synapsis in rice meiosis”，作者通过基因组编辑技术构建了pss1突变体，进一步揭示了其在减数分裂中的生物学功能。
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众所周知，细胞核内物质的移动靠细胞内产生的力推动，而这种力是由专门的蛋白复合物传递到核膜(NE)上的细胞膜末端。核骨架和细胞骨架(LINC)复合体的跨膜连接蛋白促进了这一过程，该复合体包含两种蛋白质:SUN(Sad1/UNC-84)和KASH(Klarsicht/ANC-1/Syne homology)。SUN结构域蛋白与KASH结构域蛋白在各自蛋白的C端沿核外膜(ONM)相互作用，定位在核内膜(INM)上。免疫荧光检测发现PSS1只在花粉母细胞中表达，在体细胞中不表达(图 1b)。在减数分裂过程中，PSS1与 SUN2 一起定位于NE上，在细线期沿细胞核的外侧分散。在偶线期，PSS1和 SUN2 聚集在细胞核的一侧，这些信号继续分散，直至核膜破裂。为了进一步验证 PSS1 和 SUN2 之间的关系，作者还进行了共定位分析，结发现PSS1和SUN2具有强烈的重叠信号。![]()
2.PSS1突变导致减数分裂行为异常
作者通过CRISPR-Cas9技术构建了四个 pss1 突变体，pss1突变体中有活力的花粉粒数均发生显著降低(图 2b)。为了研究突变体育性降低的原因，作者观察了其减数分裂时期的染色体行为。DAPI染色表明pss1 突变体中的大多数减数分裂细胞在终变期有 2-6 条单价染色体，导致染色体在末期 I 的不等分离(图 2c)。
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图 2 PSS1影响水稻减数分裂中的染色体行为和端粒聚簇3.PSS1参与纺锤体组装
为了研究 PSS1在纺锤体形成中的作用，作者对水稻花粉母细胞(PMCs)进行了免疫荧光分析。在野生型中，α-微管蛋白信号最初是在偶线期的 PMCs 边缘检测到的，随着发育进入偶线期晚期，信号逐渐扩散并充满整个细胞(图 3a,b)。二分裂早期，近核外开始形成放射状细胞骨架，并在后期发展成明亮的核周环(图 3e)。随后，典型的双极纺锤体在分裂中期 I 形成，染色体在赤道上排列(图 3f)。末期 I 出现典型的双极纺锤体(图 3g)，不久在末期 II 形成四分体(图 3h)，而在 pss1 突变体中，径向信号出现降低，表明其在粗线期微管形成出现了异常(图 3k,q)。先前的研究表明，束化增强了微管的稳定性并调节植物细胞内的空间动力学，作者怀疑束化也会影响微管的方向。为了验证这一假设，作者通过偏度确定分析了野生型和 pss1突变体的细胞骨架结构，并评估了微管束的数量，发现 pss1突变体中减数分裂细胞的偏斜度降低，表明突变体中束的丰度较低，证明PSS1在微管束成束过程中发挥一定的作用。![]()
4.PSS1是同源染色体联会和配对的必要条件
此前，有研究表明，PAIR2、PAIR3、ZEP1、REC8这几种蛋白参与了染色体配对和联会。其中PAIR2蛋白可以促进同源染色体联会；ZEP1是一个横丝蛋白(transverse filament, TF)，参与联会复合体的形成；PAIR 3和REC 8分别是染色体轴蛋白和减数分裂内聚亚基蛋白，是将PAIR 2适当结合到减数分裂染色体轴上所必须的。 为了研究 PSS1在中全长染色体配对中的作用，作者利用荧光原位杂交(FISH)染色体的行为进行了观察。野生型(n=11)中，所有同源染色体都在粗线期配对(图 4a)，在偶线期早期，ZEP1在 REC8 的两条链之间包含一个短杆，在偶线期逐渐延长，最终在粗线期横跨整个染色体(图 4b)；而在突变体中，只有 15.4% 的 PMCs 含有配对的同源染色体(n = 26)，ZEP1 信号到粗线期也没有实现完全延伸(图 4b)。同时，作者对另外两种蛋白也进行了观察。在粗线晚期，pss1突变体中的 PAIR2 信号广泛存在而 PAIR3 信号微弱。这些结果都表明 PSS1 对全长同源染色体的配对和联会至关重要。图 4 PSS1 是同源染色体配对和联会的必要条件5.PSS1突变可以降低非姐妹染色单体交换(CO)的频率
在大多数生物体中，通过交换(CO)建立稳定的连接。CO不仅确保了适当的同源分离，而且还创造了新的等位基因组合，导致变异增加。
为了探索本研究中观察到的单价染色体来源，作者使用5S核糖体DNA(rDNA)作为探针进行了一系列FISH分析，发现pss1中的单价染色体来自同源重组。在pss1突变体中，二价染色体和单价染色体都出现在中期I的同一PMC中，表明与野生型相比突变体的交换减少。
为了进一步阐明交换频率降低的原因，作者对一种名为HUMAN ENHANCER OF INVASION CLONE 10 (HEI10)进行了研究，HEI10 是出芽酵母 Zip3 和秀丽隐杆线虫 ZHP-3 的同源物。在水稻野生型中， HEI10的信号在粗线期早期出现在REC 8的两条链之间，在粗线期晚期逐渐沿染色体伸长，通过修饰各种减数分裂成分促进 I 类 CO 的形成。然而，突变体中，两条链之间的HEI10信号并不明显(图5c)，这表明CO I出现异常，同时突变体中的HEI 10的信号也没有表现出粗化现象。这些发现表明，PSS1影响了CO I的形成。
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6. PSS1在CO I和CO II的形成中具有重要作用MSH5，在减数分裂过程中特异表达的MutShomolog家族成员，在非姐妹染色体交换中起重要作用，但不影响染色体的排列。为探讨其交换频率的差异，作者构建了一个双突变体msh5 pss1-1。在msh5 pss1-1双突变体中有一些部分排列的染色体，类似于pss1-1中记录的表型，这些发现表明PSS1在同源染色体配对中的作用不依赖于MSH5。与msh5单突变体相比，该突变体表现出了更低的CO频率，推测PSS1同时影响水稻CO I和CO II的生成。
作者还构建了pss1-1 mus81双突变体(甲磺酸甲酯和紫外线敏感蛋白81(MUS 81)的突变不影响交叉频率)，pss1-1 mus81双突变体和pss1-1具有相似数量的二价染色体，说明在pss1-1中观察到的CO降低与MUS 81无关(图6 b)。有研究表明，水稻中fancm的突变增加了zmm突变体中CO的频率。然而，fancm突变无法恢复pss1-1中的二价染色体水平，这表明缺陷型CO的形成在很大程度上不依赖于fancm控制的CO II(图6 b)。综上所述，PSS1在CO I和CO II的形成中具有重要作用。![]()
图 6 PSS1 对 CO I 和 CO II 的形成至关重要本研究利用基因组编辑技术，构建了pss1突变体，发现 pss1突变体在粗线期表现出径向微管结构的改变，并表现出端粒成簇的缺陷，而端粒成簇对全长同源配对至关重要，揭示了PSS1在染色体和细胞骨架之间起着重要的介导作用，从而调节微管的组织，并将力传递到细胞核，促进同源染色体配对和减数分裂中的联会。原文连接：https://doi.org/10.1111/tpj.17025
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