专家点评 EMBO Reports︱史庆华团队发现M1AP调控雄性减数分裂重组的分子机制
撰文︱李 阳，武钰钒，马 慧
责编︱方以一，王思珍
编辑︱杨彬薇
在全世界范围内，约15%的育龄夫妇受不孕不育的困扰，其中男性问题约占一半。非梗阻性无精子症是男性不育中最为严重的一种情况，其中减数分裂异常约占非梗阻性无精子症患者的10%[1]。同源重组作为减数分裂的核心事件，其中任何一步出现异常都会导致生精障碍和无精子症的发生。但迄今对人类无精子症患者减数分裂重组异常及其分子基础和机制了解甚少，导致人类减数分裂重组的分子基础和机制尚不明确，限制了相关患者的病因诊断、遗传咨询和精准治疗。
在减数第一次分裂中，同源染色体配对、联会、重组和分离，其中重组导致同源染色体间形成交叉，从而确保同源染色体的正确分离。交叉的数量和分布受到了精确的调控，对减数分裂的顺利完成至关重要。在高等真核生物中，交叉主要受到一类称为 ZMM 蛋白的协同调控。酵母中，ZMM 蛋白包括 Zip1、 Zip2、 Zip3、 Mer3、 Msh4、 Msh5、 Spo22/Zip4 和Spo16[2]，其中，Zip2、Zip4和Spo16形成ZZS复合物，这些蛋白在减数分裂过程中被募集到重组中间体上并稳定它们，促进交叉形成[3,4]。哺乳动物ZZS同源复合物蛋白SHOC1，TEX11和SPO16也被报道参与小鼠减数分裂重组中间体的形成与稳定[5-7]。然而，ZZS复合物如何调控重组中间体还不完全清楚。
2022年11月28日，中国科学技术大学史庆华教授团队在国际学术期刊EMBO Reports上在线发表了题为“M1AP interacts with the mammalian ZZS complex and promotes male meiotic recombination”的研究，发现M1AP突变导致人和小鼠精母细胞交叉形成减少和减数分裂中期I停滞，并揭示了M1AP通过与ZZS复合物互作促进重组中间体的稳定，为细致研究减数分裂重组调控提供了新视角。
在该研究中，作者通过对巴基斯坦近亲结婚家系中的两例男性不育患者进行全外显子组测序分析，发现了M1AP的纯合剪切位点突变（c.1074+2T>C），该突变在患者中导致严重寡精子症并伴有减数分裂中期停滞。
为了探索M1AP在减数分裂中的功能，作者首先对其表达和定位进行探究。对M1AP的表达模式分析表明，M1AP在成年小鼠睾丸中特异表达，且表达于精母细胞（图1A、B）。为了明确M1AP在精母细胞中的定位模式，作者对小鼠精母细胞染色体铺展进行免疫荧光染色，发现M1AP呈点状定位于染色体轴上（图1C）。此外，M1AP在染色体轴上的定位依赖于减数分裂程序性DSB的产生（图1C），提示M1AP可能参与减数分裂重组。
图1 M1AP在小鼠中的表达和定位
（图源：Li Y, et al., EMBO rep，2022）
为了研究患者中M1AP突变的致病性，作者制备了携带与患者相同突变的M1ap突变小鼠，分析发现M1ap突变小鼠精母细胞重组减少、减数第一次分裂中期停滞；重组中间体标志蛋白MSH4在染色体轴上的定位减少、减数分裂DSB修复延迟（图2）。此外，M1ap突变后，不影响雌鼠的减数分裂和卵泡形成，其原因是M1AP弥散定位于胚胎期卵母细胞胞质（Fig. 1D）。
图2. M1AP突变导致重组减少
（图源：Li Y, et al., EMBO rep，2022）
接下来，作者在野生小鼠睾丸组织中进行免疫共沉淀结合质谱分析寻找M1AP的互作蛋白，发现除了M1AP蛋白自身外，ZZS复合物的3个成员中有2个（SHOC1和TEX11）都出现在候选列表的前列（图3A），且免疫共沉淀实验进一步证明了M1AP与ZZS复合物的三个成员SHOC1，TEX11和SPO16均互作（图3B、C）。
为了探究在减数分裂重组过程中，M1AP和ZZS复合物的作用关系，作者首先利用免疫荧光染色发现，与ZZS复合物类似， M1AP定位于重组中间体，且M1AP与TEX11在晚偶线期高度共定位（图3D）。接着，作者发现在Spo16-/-小鼠中，M1AP无法募集到染色体轴上，即M1AP的定位依赖于SPO16。最后，作者探究M1AP缺失对ZZS复合物成员的影响，发现M1AP缺失后并不影响SHOC1在染色体轴上的定位，但会导致TEX11在染色体轴上的募集减少（图3E、F）。
图3 M1AP通过与ZZS复合物互作促进TEX11的募集
（图源：Li Y, et al., EMBO rep，2022）
图4 M1AP调控重组的模式简图
（图源：Li Y, et al., EMBO rep，2022）
综上所述，作者提出了M1AP在雄性减数分裂重组中的作用机制（图4）。在链入侵之后，ZZS复合物中的SHOC1负责稳定D-loop，并促进末端延伸。紧接着，SPO16帮助稳定SHOC1在轴上的定位，同时募集M1AP和TEX11。M1AP通过与ZZS复合物互作促进TEX11在染色体轴上的募集进而稳定重组中间体，促进交叉形成。M1AP缺失后，部分TEX11无法被募集到染色体轴上，从而引发重组中间体崩解，DSB修复不能正常进行，无法形成交叉，最终导致交叉减少，减数第一次分裂中期停滞。值得注意的是，M1AP如何促进TEX11的募集，以及为何在卵母细胞减数分裂重组中不需要M1AP这一调控因子，仍有待进一步研究。
专 家 点 评
张亮然，山东大学，教授，博士生导师
精子和卵子只有经过减数分裂才能产生。每一个减数分裂细胞会产生大量的程序性的DNA双链断裂，它们主要以同源染色体为模板修复形成交叉重组和非交叉重组，从而保证同源染色体的正确分离，同时增加后代的遗传多样性。同源重组异常则是造成减数分裂异常、引发精子和卵子发生障碍，进而导致不孕不育和多种出生缺陷（如唐氏综合征）的重要原因。减数分裂同源重组及其异常导致不孕不育的分子机制，一直是减数分裂领域的研究热点和难点，人们对其还缺乏深入了解。中国科学技术大学史庆华教授团队发现M1AP点突变导致男性严重寡精子症。利用小鼠模型，阐明了精母细胞减数分裂过程中，M1AP与SHOC1-TEX11-SPO16复合物互作稳定重组中间体、保障交叉重组的形成和减数分裂的顺利进行。该研究表明M1AP可能是SHOC1-TEX11-SPO16复合物的一个新组分，丰富了该复合物保障重组中间体形成并维持其稳定的分子机制，为深入研究减数分裂交叉重组调控提供了新的材料和切入点。非常有趣的是，M1AP在卵母细胞中定位在细胞质，不参与雌鼠减数分裂重组修复、不影响卵泡形成和雌性生育力。这为减数分裂重组在雌雄两性之间存在差异提供了新的分子证据。期望能够对M1AP进行深入研究，从而揭示雌雄减数分裂重组差异的调控机制及其生物学意义。
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士李阳，生命科学与医学部的博士生武钰钒以及 Ihsan Khan博士为论文的共同第一作者。中国科学技术大学附属第一医院生殖与遗传分院和基础医学院的史庆华教授和马慧副研究员为论文通讯作者。
通讯作者：史庆华教授
参考文献（上下滑动阅读）
1 Jiang, H. et al.Identification of pathogenic mutations from nonobstructive azoospermia patients†. Biol Reprod 107, 85-94, doi:10.1093/biolre/ioac089 (2022).
2 Pyatnitskaya, A., Borde, V. & De Muyt, A. Crossing and zipping: molecular duties of the ZMM proteins in meiosis.Chromosoma128, 181-198, doi:10.1007/s00412-019-00714-8 (2019).
3 Arora, K. & Corbett, K. D. The conserved XPF:ERCC1-like Zip2:Spo16 complex controls meiotic crossover formation through structure-specific DNA binding. Nucleic Acids Res.47, 2365-2376, doi:10.1093/nar/gky1273 (2019).
4 De Muyt, A. et al. A meiotic XPF-ERCC1-like complex recognizes joint molecule recombination intermediates to promote crossover formation. Genes Dev.32, 283-296, doi:10.1101/gad.308510.117 (2018).
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本文完