浙江
在哺乳動物的精子發生過程中，XY染色體因無法完全配對而必須經歷減數分裂性染色體失活（MSCI），這一過程一旦異常便會直接導致男性不育，但啟動之后的轉錄沉默究竟由哪些分子來執行一直是未知的。近日，山東大學生殖醫學研究中心陳子江院士和劉洪彬教授團隊與清華大學頡偉教授團隊合作完成的研究《Nucleolar components phase separate to establish meiotic sex chromosome inactivation during spermatogenesis》正式發表。該研究利用超高分辨率顯微成像、多種條件性基因敲除小鼠以及體外相分離重構等系統，揭示了核仁中的NPM1、SENP3和rRNA在DNA損傷應答信號的下游發生定向遷移，并通過液-液相分離這一物理化學機制將RNA聚合酶II排斥在XY小體之外，從而剛性執行性染色體的轉錄沉默。
研究團隊借助3D結構光照明顯微鏡對小鼠的精子發生過程進行了精細的追蹤觀察，作者發現在粗線期精母細胞中核仁的顆粒組分蛋白NPM1和SENP3以及rRNA并沒有停留在核仁原有的位置上，而是從常染色體上徹底脫離并逐步向XY小體方向覆蓋遷移直到將整個XY小體包裹起來。研究團隊發現，與顆粒組分的全局覆蓋不同，核仁的致密纖維組分蛋白FBL遷移時間更晚并且最終只局限在XY小體的一個角落，這種高度有序的時空重排表明核仁組分在MSCI中扮演了主動而關鍵的角色。隨后，作者通過構建Stra8-Cre驅動的生殖細胞特異性敲除小鼠，研究團隊證實Npm1或Senp3基因缺失后雄性小鼠完全不育，精母細胞發育停滯在粗線期V期，XY小體無法正常形成并呈現出“甜甜圈”狀的空心結構，性染色體的凝聚與配對也出現嚴重缺陷。
研究團隊進一步在分子機制層面進行了研究，發現三個核仁組分之間存在緊密的相互依賴關系：SENP3通過對NPM1去SUMO化修飾來促進NPM1與rRNA的結合能力，三者共同富集于XY小體上才能發揮功能。進一步的研究發現這一遷移過程嚴格依賴于上游的DNA損傷應答信號——當使用ATR激酶抑制劑處理精母細胞時，NPM1會迅速從XY小體上解離，同時RNA聚合酶II重新侵入XY染色體區域并導致XY連鎖基因異常激活；而恢復DDR信號或者用激光微束在細胞核內制造DNA損傷時，NPM1又能被快速招募至損傷位點。這些結果清楚地表明DDR信號是觸發核仁組分向性染色體遷移的上游開關，而執行轉錄沉默的正是這些核仁組分本身。
此外，研究團隊進一步發現XY小體內的NPM1呈現出典型的液滴融合行為和快速熒光漂白恢復特性。他們在體外重構實驗中發現，NPM1與rRNA共同形成的獨立相分離液滴能夠將轉錄起始復合物中的TBP和Pol II CTD以及延伸復合物中的pCTD和SPOC排斥到液滴的外圍區域，從而顯著地抑制轉錄的活性。作者隨后驗證了相分離在體內的生理必要性，他們構建了Npm1相分離缺陷突變（W286A/W288A）的敲入小鼠，突變型NPM1蛋白雖然能夠正常表達卻完全喪失了在XY小體上的聚集能力，呈現彌散分布狀態，結果導致RNA聚合酶II無法被有效排除并且XY連鎖基因重新上調，小鼠表現出與完全敲除鼠一模一樣的不育和精子發生障礙。最后研究團隊通過電轉回補實驗研究發現，只有野生型NPM1能夠成功挽救Npm1敲除精母細胞中Pol II異常聚集的缺陷，而相分離缺陷突變體則完全無效。
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