Science | 舍车保帅？精子染色质如何在受精卵中自保
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成熟精子高度分化，头部主要是包含有遗传物质的细胞核，尾部则是帮助其运动的轴丝。精子染色质DNA高度压实，非常致密，这有助于精子头部的形状和流体动力学特性。在许多动物中，精子核小体组蛋白会被精核碱性蛋白（SNBPs）取代，使得精子DNA紧密包装，例如哺乳动物的精蛋白（protamine），这类染色质重塑过程被称为组蛋白-精蛋白替换（histone-to-protamine transition）。虽然组蛋白-精蛋白替换通常被认为是形成正常精子的必要条件，但并非所有动物都使用SNBPs进行精子染色质组装（一些脊椎动物的精子染色质保持完整的核小体），还有一些物种（如硬骨鱼）的精子染色质的组装会在精蛋白和组蛋白之间的选择动态变化。
事实上，几乎所有的昆虫都一致地编码“无组蛋白”包装的精子DNA。例如模式生物黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）具有超致密的精子染色质，完全由类似精蛋白的SNBPs组装（除着丝粒保留了部分CenH3外）。这表明昆虫对基于SNBPs的精子染色质有着严格的选择性要求。
近日，法国里昂高等师范学院（École Normale Supérieure de Lyon）的Benjamin Loppin和Raphaëlle Dubruille团队在Science杂志发表了《Histone removal in sperm protects paternal chromosomes from premature division at fertilization》研究文章，他们通过对果蝇父系效应突变体pal（paternal loss）的研究，发现该突变体精子染色质“错误”保留了组蛋白(H3-H4)2四聚体，这虽然不影响精子生存能力，但却会在受精后被卵子染色质转运复合物（chromosomal passenger complex）靶向并被过早分裂，导致父源染色体丢失。由此作者揭示了组蛋白从精子中排除的可能意义：在雌性减数分裂时保护雄原核的稳定性。
父系效应突变体pal在胚胎发育开始时会引起父源染色体的散发性丢失，例如在雄性pal突变体精子与野生型卵子的受精卵中，大约3%的成年后代会失去父系X染色体，并可能导致双侧雌雄同体的发育，即一半为雄性，一半为雌性（图1A）。
图1
作者研究了由pal突变体精子与野生型卵子受精得到的受精卵（pal受精卵），发现受精后雄雌原核都迁移到受精卵的中心区域，在那里它们接触却不融合（图1B）。他们观察到雄原核在pal受精卵的分化阶段约50%-60%会发生碎裂（图1C），在第一次和第二次有丝分裂期间，父源染色体会零星丢失或断裂（图1D，E）。这些现象表明，pal受精卵中父源染色体的丢失，意味着影响雄原核完整性的表型会发生。
01
CPC异常靶向pal受精卵中的父源
染色体
作者进一步探寻雄原核碎裂的原因。在果蝇中，受精卵最早阶段是减数分裂中期II，这可以通过雌性减数分裂纺锤体的存在来识别（图1B）。在这个阶段，野生型受精卵中由于精子细胞核组蛋白被SNBPs取代，所以通常呈现为圆形细胞核；但在pal受精卵中，雄性细胞核形状并不规则，且被微管纺锤体包围（图1F）。与雌性减数分裂纺锤体类似，pal受精卵中的雄性纺锤体是无侧位的（图1F），精子来源的中心粒通常存在于精子管囊（sperm aster，用以捕获雄原核）中。雄性假分裂（pseudodivision）与雌性减数分裂II同步进行，单倍体精子细胞核的父源染色单体最终在纺锤极之间伸展（图1F）。这表明pal受精卵中的父源染色体遵循控制雌性减数分裂进程的相同胞质线索。因此，作者研究了父源染色体假分裂是否由染色体转运复合物（chromosomal passenger complex，CPC）触发。CPC的一个关键亚基是Aurora B激酶，它可以对组蛋白H3第10位丝氨酸进行磷酸化（H3S10ph）。在减数分裂II的野生型受精卵中，H3S10ph仅存在于母源染色体上（图1F）；而在pal受精卵中，H3S10ph则同时存在于母源和父源染色体中（图1F）。类似的，CPC亚基INCENP也异常地定位于父源染色体和父源纺锤体中。那CPC是否影响了pal受精卵雄原核的缺陷呢？作者将pal雄性突变体与能表达一种靶向aurora B（aurB）的小发卡RNA的雌性杂交。如预期一样，母系aurB基因的敲低（KD）消除了母源染色体上H3S10ph，并阻止了减数分裂。在与pal精子受精的aurB KD受精卵中，作者还发现完全抑制了pal原核表型。由此得出结论，在pal受精卵中，CPC促进雄性假分裂的进行，导致频繁的原核分裂和偶发的父源染色体丢失。
02
组蛋白H3和H4在pal精子染色质中
异常保留
作者进一步研究了这些受精卵表型是否是由精子染色质组织变化所引起的。果蝇中组蛋白主要为H2A、H2B、H3.2和H4，以及组蛋白变体H2Av、H3.3和Cid/CenH3。作者发现，雄性生殖系中表达的转基因红色荧光蛋白（RFP）标记的组蛋白H2A、H2Av和H2B在对照组和pal组睾丸的组蛋白-精蛋白替换过程中被完全从精子细胞核中移除（图2A，B）；尽管绿色荧光蛋白（GFP）标记的组蛋白H3.2和H3.3也在对照组中被去除，但在pal突变体中异常保留（图2C）。作者还通过免疫荧光分析，在pal睾丸中乙酰化的H4（H4ac）在组蛋白-精蛋白替换过程中持续存在，这表明在核小体部分分解后组蛋白在精子DNA上以(H3-H4)2四聚体的形式保留。这些结果表明，在正常果蝇精子发生过程中，精子核小体中H2A-H2B二聚体的去除与(H3-H4)2四聚体的最终消除在功能上并不耦合。
图2
为了直接研究精子细胞核中组蛋白替换的动态过程，作者同时对H2A-RFP和H3.3-GFP进行成像观测，发现精子核小体的解组装是一个连续的过程，H2A-H2B二聚体首先被拆解，然后是组蛋白H3和H4。值得注意的是，H3和H4在pal精子中的整体保留并没有阻止果蝇中主要的SNBPs精蛋白B（ProtB）的组装（图2D）。尽管pal精子核在形状上呈现规则和均匀，但它们比野生型精子核平均短25%，明显更宽（图2D，E）。这一差异对pal配子的活力和受精潜能没有明显影响。由此发现，pal基因是在组蛋白-精蛋白替换过程中消除H3和H4所需要的。
03
pal精子拯救了Hira突变体受精卵的
生存能力
作者接下来评估了pal精子组蛋白在受精后对核小体重新组装的实际贡献。将表达H3.3-GFP的pal雄性与野生型雌性杂交发现，H3.3-GFP特异性修饰了雄原核中的父源染色质（图3A）。这意味着父系传递的组蛋白直接促进了受精卵中父源核小体的形成。随后作者探究了pal受精卵中母系H3和H4是否仍然是形成雄原核所必需的。在SNBP去除后，父系DNA上的组蛋白沉积是由保守的HIRA组蛋白伴侣复合物启动的。具体来说，母源HIRA以不依赖复制的方式在雄原核中组装(H3.3-H4)2四聚体。在缺乏HIRA的情况下（例如在果蝇母系效应突变体Hirassm），受精卵不能启动父源核小体组装，这会导致单倍体发育和胚胎致死。作者发现Hirassm雌性和pal雄性杂交是可育的，胚胎孵化率与pal雄性和野生型雌性的对照杂交相当（图3B），两种杂交产生了相似数量的成年后代（图3C）。
图3
在细胞学水平上，与典型的Hirassm表型显示圆形、惰性的雄原核不同，由pal精子受精的Hirassm受精卵仅显示pal表型，表明pal对Hirassm的上位性（图3D）。这表明在pal精子染色质中，H3和H4作为四聚体存在于整个父系基因组中，从而在雄原核形成过程中绕过了对HIRA的需求。为了确定pal受精卵中父系核小体重组的时间，将pal突变雄性与表达H2A-RFP的雌性杂交，发现母体H2A-RFP早在减数分裂II时就开始修饰雄性原核，其方式与对照组没有区别（图3E）。这意味着在pal受精卵中，H2A-H2B二聚体以不依赖复制的方式沉积在精子(H3-H4)2四聚体上。由此作者得出结论，H3-H4在pal精子中的持续存在在受精时建立了父源染色体的异常表观遗传身份，导致CPC在减数分裂II错误地将其识别为母源染色体。
此外，作者还成功鉴定了pal基因，并且发现该基因可以编码一种快速进化的过渡蛋白Pal。
私货评论：
精子的“组蛋白-精蛋白替换”是进化产生的非常有趣的现象，但其中的机理尚不清晰。该研究通过果蝇pal突变体发现，组蛋白的存在对于精子存活和功能本身并没有问题，只是在受精后容易被受精卵中母源因素所影响导致父源遗传物质的丢失。所以很像中国象棋中的“舍车保帅”，为了遗传物质的稳定存在，只能舍弃组蛋白。从结构生物学的角度，以组蛋白为基础组装的核小体结构十分稳定，但以精蛋白为基础的类核小体结构还尚未有发表，这也是未来可以继续探寻的方向。
参考文献
参考文献
Dubruille R, Herbette M, Revel M, Horard B, Chang CH, Loppin B. Histone removal in sperm protects paternal chromosomes from premature division at fertilization. Science. 2023;382(6671):725-731. doi:10.1126/science.adh0037
供稿 | 刘府金
审稿 | 朱盎岐
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
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