舶来赏析|维持专性交换的MSH4和MSH5基因在小麦多倍体化过程中逐步退化（pp2020）
2020年8月，Plant Physiology在线发表了题为“MutS homologue 4 and MutS homologue 5 Maintain the Obligate Crossover in Despite Stepwise Gene Loss following Polyploidization”的研究论文，由英国莱斯特大学遗传学和基因组生物学系、德国莱布尼茨植物遗传学和作物研究所、英国剑桥大学植物科学系等单位共同完成。
MSH是一组MutS HOMOLOG同源基因，在真核生物中已鉴定的MSH基因有7个（MSH1-MSH7），其中MSH4和MSH5主要在减数分裂过程中发挥作用，促进交换（COs）的形成。在拟南芥和水稻中研究发现，MSH4和MSH5（MutSγ）必须形成二聚体才具有功能，在Holliday结构中交叉点起作用。在小孢子培养的甘蓝型油菜异源单倍体植株中，降低MSH4拷贝数可阻止同源染色体间减数分裂COs的形成。进一步的生物信息学分析表明，在许多植物中，MSH4在独立的多倍体事件后会系统地返回到单一拷贝。那么，MSH4和MSH5基因在多倍体小麦中又是如何进化和发挥作用？
作者首先利用拟南芥MSH4和MSH5氨基酸序列进行BLAST搜索，鉴定了小麦及其野生近缘种中MSH4和MSH5的同源基因序列。（1）和二倍体拟斯卑尔脱山羊草中的AesMSH5相比，四倍体小麦T. turgidum中TtMSH5B有一个5.4kb的缺失。该缺失从编码区移除了第2至第13个外显子（861bp），并从蛋白质的N端移除了287个氨基酸残基，这导致了MutSII整个结构域和MutSIII部分结构域的缺失，表明TtMSH5B已退化为假基因，且该情况同样同样出现在四倍体小麦T. dicoccoides和六倍体小麦T. aestivum中（图1）。（2）与二倍体Ae. Tauschii中的AetMSH4相比，TaMSH4D存在一个8kb的缺失。该缺失从编码区移除了第16个外显子16至第24个外显子之间的序列（986bp），并从蛋白质的C端移除328个氨基酸残基。这将导致MutSIII结构域和整个MutSV结构域的部分丢失，包括与MSH5二聚化所需的螺旋-转角-螺旋基序（残基724-742）。这些高度保守的MutS结构域的破坏表明TaMSH4D也已经退化为一个无功能的假基因。
图1 多倍体小麦进化过程中MSH5B和MSH4D基因的逐步丢失
作者进一步利用抗AtMSH4和AtMSH5抗体，通过免疫荧光分析检测了MutSγ在整个减数分裂前期I的定位动态。在野生型四倍体小麦“Kronos”中，MSH4首先定位于细线期早期的染色体轴上。随着染色体发生联会，偶线期MSH4灶数量减少。在粗线期，MSH4主要不在染色体上，可能标记潜在的I类交换位点（图2）。MSH5在细线期也定位于染色体轴上，随着前期I的进展，灶数量逐渐减少，直到4%的MSH5位点保留在粗线期（图3）。在Ttmsh4和Ttmsh5突变体中，MutSγ复合物未能定位到染色体轴上，背景信号在核仁周围形成非特异性的聚集体。这些荧光抗体可能导致MSH4/MSH5聚集体错折，不能装载到染色体轴上。
图2 TtMSH4定位于减数分裂前期Ⅰ染色体
图3 TtMSH5定位于减数分裂前期Ⅰ染色体
作者观察到A亚基因组的两个突变体Ttmsh4a-1和Ttmsh4a-2，以及B亚基因组的一个突变体Ttmsh4b是完全可育的，并且在减数分裂时期与野生型没有区别。然而，双突变体Ttmsh4ab是不育的，且没有维持减数分裂过程中的专性交换（图4）。这表明，在四倍体小麦专性交换形成的过程中，TtMSH4A和TtMSH4B功能上是冗余的。另两个TtMSH5A单突变体Ttmsh5a-1和Ttmsh5a-2是不育的，并且表现出大量的单价体；单个B亚基因组突变体Ttmsh5b是可育的，并且在二价体数量和交换频率上与野生型没有区别（图5）。这说明MSH5A是四倍体小麦专性交换形成所必需的，与MSH5B没有冗余作用，也进一步表明MSH5B是一个假基因。同时，作者还发现同源染色体间的交换数目不受MSH5最小剂量的影响。
图4 TtMSH4A和TtMSH4B维持交换时功能冗余
图5 TtMSH5A是形成专性交换所必需
尽管在突变体Ttmsh4ab-1和Ttmsh5a-1中专性交换是缺失的，但减数分裂早期阶段轴的形成和联会的出现并没有受到干扰。两个突变体中轴相关蛋白ASY1和联会复合体横丝蛋白ZYP1的免疫定位与野生型也无明显区别（图6）。此外，标记早期重组事件的RAD51灶数量在野生型、Ttmsh4ab-1和Ttmsh5a-1之间没有显著差异，这表明mutSγ突变体的早期重组事件不受影响。Ttmsh4ab和Ttmsh5a突变体的营养生长和花发育也表现正常，表明它们不会引起明显的体细胞缺陷。
图6 Ttmsh4和Ttmsh5突变体中轴的形成和联会不受影响
绿色：ASY1；红色：ZYP1
Ttmsh5a和Ttmsh4ab突变体在减数分裂中交换数减少了84%到85%，这与减数分裂重组I类途径的丢失是一致的，但是II类重组途径并没有受到影响。作者进一步利用抗HEI10抗体（I类重组特异性标记）和抗TaMUS81抗体（II类重组特异性标记），通过免疫荧光对I类和II类COs进行了细胞学监测（图7）。在偶线期，HEI10以线性信号的形式被定位在未联会染色体的轴上，然后形成离散的信号。在粗线期，野生型每个小细胞HEI10灶数平均为28.8±0.64（n=21），而Ttmsh4ab-1和Ttmsh5a-1的HEI10灶数平均仅为2.7±0.26（n=23）和3.1±0.28（n=23）。mutSγ突变体中残留的HEI10灶一般较小、较暗，且与染色体轴无关，只有少数（17.6%）与野生型相似。
作者还进一步发现，野生型中交换频率紧密地分布在平均值附近，并与泊松预测分布显著偏离。而在Ttmsh4ab和Ttmsh5a突变体中，剩余交换的频率是随机分布的，没有偏离泊松预测分布（图8）。这表明，在Ttmsh4ab和Ttmsh5a中，每个细胞的交换数在数字上是随机的，属于典型的II类交换。与野生型相比，mutSγ突变体中染色体交换的物理位置更偏向于染色体远端。
图7 在Ttmsh4和Ttmsh5中HEI10灶数量减少，而MUS81不受影响
图8 在TtmutSγ突变体中交叉点在数量上是随机的且主要位于远端
【总结】交换（COs）是减数分裂中的重要环节，确保了染色体的准确分离，同时创造新的等位基因组合。作者向我们展示了异源四倍体（AABB）硬粒小麦(Triticum turgidum ssp. durum)减数分裂重组的两种途径。I类途径需要MSH4和MSH5（MutSγ）维持专性交换，占减数分裂COs的85%，而剩余的15%与II类CO途径一致。Ⅰ类和Ⅱ类交换位点均向染色体末端倾斜，但Ⅱ类交换的偏向性明显远大于Ⅰ类交换。对小麦及其野生近缘物种中MSH4和MSH5基因做进化分析发现，由于基因冗余或异源多倍体小麦中重组调节的适应性，MSH5B和MSH4D在小麦进化过程中可能发生逐步丢失。
原文链接：http://www.plantphysiol.org/content/183/4/1545
小麦族多组学网站：http://202.194.139.32