非整倍体形成的分子机制

壹 非整倍体

正常人类染色体是46条，22对常染色体和一对性染色体，性染色体中男性为XY，女性为XX。染色体异常包括结构异常和数目异常，其中数目异常可以分为整倍体异常和非整倍体异常。整倍体通常很罕见，比如全基因组的三倍体胎儿，在妊娠中发生率为2%，一般都会在胎儿期流产，反过来流产的胎儿中20%是三倍体，但是仍有3%的69,XYY可以存活。三倍体胎儿常伴有部分葡萄胎，但是一般的葡萄胎还会出现在父源UPD和多囊卵巢综合征中。非整倍体较为常见，比如21-三体综合征，13三体、18三体，其中尤为性染色体的非整倍体最为常见，例如47,XXY、47,XYY、45,X0等。

胎儿的非整倍体通常会导致胎儿的死亡、流产、发育停滞等，即便生下来也为社会和家庭带来沉重负担。35%的孕妇妊娠是非整倍体，尤其在植入前胚胎中的比例更高。孕龄女性中卵母细胞非整倍体占20%-30%，高龄孕妇卵母细胞中占70%。男性精子中非整倍体占1%-8%，精子的非整体发生率与父亲年龄无关。通过分析非整倍体胎儿的数据表明，90%或可能更多的常染色体三倍体是由卵母细胞减数分裂错误引起。减数分裂期间，同源染色体交叉联会，交叉是联会期间同源染色体重组的细胞学表现，它是一种物理连接，在保证同源区域成对的同时，促进了MⅠ期纺锤体的定位，这种物理连接可以确保同源染色体在来自纺锤体两极微管的牵引下达到张力平衡。相关研究表明，重组时缺乏交叉、重组事件数量的减少及交叉位置靠近端粒或着丝粒都会导致染色体发生同向分离或不分离，增加卵母细胞非整倍体的产生。

联会期间，同源染色体间会形成联会复合物（SC），染色体上会产生大量程序性DNA双链断裂（DSBs）,这一过程相当复杂，其中的机制至今仍未完全明白，但是现有的研究已经取得了突破性进展。

贰 第一次减数分裂前期的五个阶段

女性生殖细胞第一次减数分裂（MⅠ）前期从胚胎期就已经开始。进入青春期后，在FSH的作用下，次级卵泡进入周期性发育，优势卵泡成熟后在排卵前完成第一次减数分裂（MⅠ），排卵后，次级卵母细胞必须在受精后才能完成第二次减数分裂（MⅡ）。

MⅠ和MⅡ之间没有DNA合成期，雌性动物在出生时卵母细胞就停滞在MⅠ前期的双线期（生发泡停滞）。MⅠ前期的持续时间非常长，可以分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和浓缩期。

细线期：染色质浓缩为几条细长的线，染色体已经复制，每一条染色体都包含了2条染色单体，细线期的染色体看不出双重性，但是每条染色体的两端通过附着板和核被膜相连。

偶线期：这一时期染色体的形态与细线期差不多。同源染色体在两端首先靠拢，或者在染色体的不同部位开始配对，最后扩展到染色体的全部区域，这一过程就是联会。联会中同源染色体两两组合，同源区域靠近联合，形成联会复合物（SC），这样联合在一起的两条染色体叫二价体。这一时期仍然有残余的0.3%的DNA合成。SC由蛋白构成，到双线期和浓缩期消失。

粗线期：染色体缩短变粗，在光学显微镜下可以看见每条染色体由两条姐妹染色单体组成，它们在着丝粒处相连。每对同源染色体总共有4条染色单体，叫四联体。同源染色体间的姐妹染色单体相互交换同源区域的遗传物质，这一过程是生物进化中遗传变异的重要来源。交叉互换与SC密切相关。但到这里，同源染色体间的交叉仅仅是两条染色单体纠缠在了一起，并没有发生分离，也就不存在真正完成的互换。

双线期：这一时期同源染色体开始分开，SC开始分解，同源染色体的交叉点数目开始减少，位于着丝粒两侧的交叉向两端移动，这一现象叫交叉端化。染色体继续缩短变粗，螺旋化程度加深。

浓缩期：又叫终变期。交叉端化继续进行，染色体螺旋化达到最高，变得更加粗短。核仁、核膜开始消失，双价体向赤道板移动，纺锤体形成。即将进入中期。

叁 联会复合物的分子结构

联会复合物的英文名称是synaptonemal complex，简称SC。

1956年Fawcett和Moses最早发现SC（1956年Moses研究蝲蛄卵母细胞减数分裂前期的超微结构时发现SC，1977年Moses又证明了光学显微镜可以检测SC，并发展了适用于明视野显微镜检查用的S.C染色法）。SC是一种拉链状蛋白复合物，由两条平行排列的侧轴和它们之间的中央区域组成。中央区域的宽度约为90-150nm，由中央轴和横向纤维组成。

侧轴由SYCP2和SYCP3组成，横向纤维主要由SYCP1组成。SYCE1、SYCE2、SIX6OS1共同组装成中央轴蛋白。

SYCP3在体外就可以自发组装成纤维结构，它可以形成一个四聚体，末端的DNA结合区域与染色体的DNA结合，可以将同一条染色体相距较远的区域联系在一起，促进染色体高度凝聚。

SYCP2具有多个DNA结合区域，C端的coiled-coil结构（CCR）可以和SYCP1及SYCP3的N端相互作用，由此将侧轴和横向纤维连接在一起。SYCP2的CCR如果被破坏了，SYCP3就不能被募集，侧轴就无法形成，导致SYCP3在细胞核内聚集。SYCP2的N端可以与CENP-J及CENP-F（CENP是着丝粒蛋白）相互作用，从而将SC和着丝粒联系起来，近些年的一些研究表明着丝粒配对对后期高质量的减数分离至关重要。

SYCP1主要形成SC横向纤维，蛋白中央是α螺旋，两端是尾部结构，N末端在侧轴位置形成肩并肩的多聚结构。

中央轴蛋白形成后，SYCE2-TEX12将形成异源八聚体复合物，参与中央轴的延伸及稳定中轴结构。SYCE3可以形成同源二聚体或多聚体，并同时和SYCP1、SYCE1和SYCE2发生作用。

小鼠实验中，侧轴异常对生殖力的影响具有性别差异，中轴蛋白的缺失则直接导致小鼠不育。比如敲除SYCP2和SYCP3，雄鼠将表现为初级精母细胞停滞，导致完全不育；雌鼠能在部分区域形成SC的中轴结构，促进这些区域的DNA双链断裂（DSB）修复及重组，所以表现为生育力降低。中轴蛋白缺失的小鼠SC的侧轴能正常形成，同源染色体可以识别并配对，但是不能联会，导致减数分裂停滞和生殖母细胞凋亡。

SC的侧轴在细线期开始组装，形成片状的聚集物，然后再延伸至姐妹染色体单体全长。偶线期，同源染色体在不同的区域开始配对，形成中轴。进入粗线期，配对进行，中轴形成并逐渐遍布整条染色体。联会区域DSB逐渐修复，SC负责调控和参与同源染色体间的交叉互换。之后，SC中轴解体，同源染色体分开，其中发生交叉互换的区域完全分开，未发生交叉互换的区域仍然相连，进入双线期。浓缩期的SC中轴完全解聚，只有着丝粒区还留有信号。

肆 SYCP2和DSBs

SYCP2的C端结构就是一个coilde-coid结构（CCR），但是N端（NTR）一直都不清楚结构如何。2017年的一篇文献中，作者对大鼠的SYCP2的结构进行了研究（mSYCP2）。mSYCP2一共具有1500个氨基酸，整体结构像一个“L”，包含了2个区域——ARLD（armadillo-repeat-like domain）和SLD（Spt16M-like domain）。

ARLD由4股α螺旋组成，是与其他分子交互的平台。NTR与CENP-J和CENP-F相互作用，有研究人员认为SYCP2是连接SC与着丝粒的桥梁。SLD结构域类似于Spt16M分子，Spt16M可以与组蛋白H2A-H2B相互作用，因此SLD可能参与了染色质结合。

着丝粒是一个多蛋白复合体，它招募动粒富集到纺锤体的微管外。CENP-J和CENP-F是着丝粒蛋白中的一部分，CENP-F本身也表现出微弱的微管结合活性。双线期SYCP1的荧光信号在一些实验中没有被检测到，同时SYCP3也在逐渐分解，残余的SYCP2可能作为纺锤体微管和联会复合物（SC）之间的间接中间物，确保了MⅠ阶段同源染色体的精确有效的分离。

近些年来，有学者利用显微膨胀技术发现果蝇的SC是两层结构，每一侧的上下两层分别与每条染色体的姐妹染色体单体相连，这一结构或许可以解释DNA双链断裂（DSB）重组修复中为何能特异性选择同源染色体作为修复模板。

人们在酵母中发现着丝粒配对会确保减数分裂中没有发生重组的同源染色体正确分离，果蝇中也发现了同样的问题，但是在哺乳动物中研究甚少。着丝粒配对的一个可能功能就是促进减数分裂中纺锤体上动粒蛋白的组装。

在有丝分裂的姐妹染色单体上有内外板。内板包括a centromeric histone H3 variant，CENPA，auxiliary proteins ，DNA。外板是由参与微管形成的蛋白组成。两区域之间被称为inner centromeric domain。这种结构如果形成于第一次减数分裂前期的姐妹染色单体中，就会导致减数分裂错误。在减数分裂中，同源染色体会形成2个姐妹动粒，并分别与同极相连。

程序性DNA双链断裂（DSB）由高度保守的内切酶SPO11启动，在基因组中产生数百个DSBs，随后再招募修复蛋白MLH1和MLH3促进同源染色体的配对。DSBs以同源染色体为模板，通过同源重组途径进行修复，并介导同源染色体之间的识别和配对，完成修复，产生交叉和非交叉产物。DSB的修复和交叉互换受到联会复合物（SC）的调控，修复的过程中又对SC进行调控。例如，DNA单链入侵同源染色体促进了同源染色体接近，有利于中轴的组装。中轴的组装稳定了同源染色体之间的联系，促进了DSB以同源染色体为模板进行修复。

伍 非整倍体形成机制

SYCP3突变会导致C端结构域缺失的截短蛋白，男性生精过程停滞在精母细胞阶段，最终导致非梗阻性无精子症，女性则表现为自发流产。

SYCE1的两个突变会造成mRNA提前出现终止密码子，导致mRNA降解或形成截短蛋白，导致不育。

21和22号染色体缺乏错配修复基因MLH1标记，导致重组时未发生交叉，是最易发生的错误。

缺少SYCP3导致重组减少。

29岁以下女性，多为端粒附近形成单个交叉，导致稳定的双极取向效率降低，增加MⅠ染色体分离错误。35岁以上女性多为着丝粒附近形成的单个交叉影响了姐妹染色单体黏连蛋白（cohesin）复合体的去除，增加MⅡ染色体不分离的风险。

在有丝分裂中，有一种叫做“中心体”的物质负责微管成核，其中含有2个中心粒，外面包裹着外中心粒（电子致密物质）。2个中心体辐射出微管与染色体相互作用，形成双极纺锤体。在人类的卵母细胞中，受精前中心体会被消除。可能解释是精子中也含有中心体，避免了合子中中心体过多。卵母细胞缺乏中心体，微管组织中心（MTOCs）可以行使中心体的功能。染色体激活小GTP酶（Ran），Ran释放微管核因子、马达蛋白和其他微管相关蛋白，促进微管在染色体附近连接组装。纺锤体组装检查点（SAC）控制细胞分裂中周期事件的时间和顺序来维持基因组的稳定。组成SAC的蛋白中有一种α-内收蛋白（ADD1），细胞周期蛋白依赖性激酶（Cdk1）在丝氨酸12和355位对ADD1磷酸化，使ADD1与肌球蛋白（Myo10）结合，从而与有丝分裂中纺锤体结合，ADD1耗竭导致纺锤体扭曲和多极纺锤体，并伴有异常的染色体排列。

2个关键蛋白：分离酶抑制蛋白（securin）和细胞周期蛋白B（cyclin B）。 MⅠ后期分离酶会裂解同源染色体连接在一起的黏连蛋白（cohesin）复合体，而cyclin B是中期激酶Cdk1的激活剂，在后期被降解使细胞质分裂，为MⅡ做准备。正常情况下，E3泛素连接酶APC/C依赖Cdc20作用于上述两个关键蛋白，导致这两个关键蛋白被降解。如果同源染色体的动粒向同一个极点，或者没有完全附着在纺锤体微管上，SAC立刻被激活。SAC是一个复合蛋白体，其中的Mad2直接与Cdc20结合，阻止Cdc20激活APC/C，这样就延迟了中期向后期的转换。除非染色体与纺锤体稳定的向双极定向，并且正确地排列到赤道板上。

上述过程明白后，我们发现，在有丝分裂中，单个不连接的动粒就可以激活SAC机制，但是在卵母细胞中时只要大多数染色体附着在双极纺锤体上时，即便染色体错位，减数分裂也将继续。有人认为是卵母细胞过大的体积导致了SAC的不严谨，在不同的哺乳动物中，SAC蛋白的表达亦受年龄影响。这里或许解释了为什么卵母细胞更容易发生非整倍体异常分离，年龄为什么是非整倍体发生增加的原因之一。

黏连蛋白（cohesin）复合体能够将姐妹染色单体结合在一起，当同源染色体被拉向两极时，复合体又能围绕着丝粒产生张力，着丝粒区域的cohesin产生的内聚力抵消了部分纺锤体的牵引力。cohesin有4个亚基组成：2个染色体结构维持（SMC）家族蛋白亚基，1个α-封闭蛋白（kleisin）亚基，基质抗原蛋白质（SA）亚基。这4个亚基在有丝分裂和减数分裂中有不同的名称，其中的kleisin亚基在减数分裂中叫减数分裂特异凝聚亚基REC8。

MⅠ前期，染色体臂上的REC8被polo样激酶（Plk1）标记，分离酶裂解REC8，cohesin被消除。着丝粒动粒区域的黏连蛋白被Bub1募集的Sgo2和蛋白磷酸酶2A（PP2A）保护。MⅡ期MPF、Cdk1/cyclin B再次被激活，但是存在细胞抑制因子（CSF）,卵母细胞停滞在MⅡ。受精后，精子引起Ca+激增激活Ca+依赖的钙调蛋白激酶Ⅱ使Emi2（细胞抑制因子潜在候选物）磷酸化，随后Plk1进一步磷酸化，Emi2被蛋白酶降解激活APC/C，分离酶裂解动粒上的REC8，单体分离。

如果cohesin复合体丧失，会导致染色体不分离和姐妹染色单体过早分离。姐妹染色单体过早分离是人类和小鼠减数分裂中染色体分离错误的最主要原因，比如人类常见的16、22、21、19、11、15号染色体的非整倍体。

高龄孕妇被认为cohesin亚基的缺失是导致染色体分离错误的主要原因。有文献指出40岁女性的卵母细胞中cohesin亚基REC8和SMC1β比20岁女性的要低。

女性的卵母细胞是在胎儿期就开始了DNA复制过程，也就是在这时候cohesin亚基就已经建立，随着年龄增长，这些亚基的水平会下降，最终降至阈值以下。

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