端粒蛋白质复合体在哺乳动物减数分裂前期的结构和功能研究

Proper chromosome segregation during meiosis requires the homologs to pair and synapse, as well as to prevent ectopic association between non-homologous chromosomes. During meiotic prophase I, telomeres transiently congregate on the nuclear envelope to form a so-called chromosomal bouquet. The bouquet formation and telomere-promoted rapid meiotic prophase chromosome movements have been observed in diverse eukaryotes, and are proposed to promote homologous chromosome pairing and meiotic recombination, implicating a functional role of telomeres in the process of meiosis. Growing evidences have revealed many proteins, including telomeric protein TRF1 and TRF1 binding protein CCDC79, functionally involved in mammalian meiotic telomere dynamic movement regulations. However, how these proteins interact and how they regulate telomere attachment to the nuclear envelope, bouquet formation and disaggregation remain elusive. By studying the structural basis for functional roles of involved proteins, we intend to dissect molecular mechanism for meiotic telomere dynamic movement and its role in mammalian spermatogenesis. Defects in chromosome synapsis and/or decreased recombination during meiotic prophase are often clinically associated with spermatogenesis obstruction. So our study is of important medical relevance and will provide novel insights into the pathogenesis of human male infertility.

减数分裂过程中染色体的正确分离依赖于同源染色体的配对和联会，避免非同源染色体的错误结合。在减数分裂前期I，端粒短暂聚集在核膜特定部位呈现“花束”结构。该结构的形成及端粒介导的染色体的运动在真核生物中普遍存在，影响同源染色体的配对和重组; 暗示着端粒在减数分裂过程中的重要作用。已有的研究已经鉴定出包括端粒蛋白质TRF1，CCDC79等在内的一些蛋白质组分参与控制哺乳动物减数分裂前期端粒的动态变化。然而这些蛋白质如何相互作用，又如何影响端粒的核膜附着、“花束”结构的形成和解聚等，都有待于研究。本项目将通过研究蛋白质发挥功能的结构基础，来揭示哺乳动物减数分裂前期端粒动态变化的分子机制及其在精子发生过程中的重要功能。临床上染色体联会发生异常和/或同源重组受到限制往往和生精障碍相关联。因此本项目的研究有重要的医学意义，将为研究男性不育的病理提供新的理论依据。

减数分裂是真核生物有性生殖的遗传基础。在减数分裂前期，染色体进行同源配对、联会及重组，以保证同源染色体的正确分离，同时促进物种的进化。研究表明在减数分裂前期I，端粒介导的染色体的运动及排列，是同源染色体有效正确配对的一个重要因数；端粒这一功能依赖于其在核膜的定位和相应的结构。在哺乳动物细胞中，端粒蛋白质TRF1、减数分裂相关蛋白质TERB1、TERB2、MAJIN、SPDYA、CDK2、核膜上 SUN1/KASH5复合物等组分都参与调控端粒在核膜的结构和功能。.本项目结合结构生物学、分子、生化、细胞、遗传等多种手段，研究端粒蛋白质复合体在减数分裂前期的功能和发挥作用的分子机制。重点研究端粒在核膜附着的结构基础、核膜上端粒复合物的高级结构、端粒的维护机制、端粒介导染色体运动的结构基础和功能；同时寻找和鉴定端粒复合物组分之间的新的相互作用。在研究中我们首先利用同步辐射光源，解析了调控端粒核膜定位的三个蛋白质互作复合体的晶体结构，这包括TRF1-TERB1复合物、TERB1-TERB2复合物及TERB2-MAJIN复合物，阐明了端粒实现核膜定位的结构基础。同时，我们首次鉴定到SPDYA-SUN1的相互作用，解析了SUN1-SPDYA-CDK2三元复合物结构，填充了LINC复合物结合端粒的结构基础的空白。进一步基于结构信息，我们构建了能特异性破坏特定相互作用的点突变小鼠模型，并对突变体小鼠的减数分裂前期的表型做了系统的分析。我们的研究表明TRF1-TERB1-TERB2-MAJIN 这条途径是端粒结合到核膜的先决条件；而SUN1-SPDYA相互作用是建立和稳定端粒-LINC复合物的必要条件。上述部分的研究成果已经发表在NSMB和NC杂志上。基于本项目的执行，目前已有1名博士后出站，4名博士研究生和1名硕士研究生顺利毕业。.减数分裂关系到人类的生育；研究表明在减数分裂前期染色体配对和重组过程的异常与男性不育的发生是密切相关的。因此，深入了解减数分裂前期染色体的运动和同源配对的过程，对阐明因减数分裂异常而导致的精子发生失败的病理具有重大的医学意义。